DE102019112033A1 - Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellenstapels mit einem vorübergehend deaktivierten entlüftungsventil - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellenstapels mit einem vorübergehend deaktivierten entlüftungsventil Download PDF

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Chad Dubois
Xiaofeng Wang
Sergio E. Garcia
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Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels wird beschrieben. Der Brennstoffzellenstapel beinhaltet eine Kathode, eine Anode und ein vorübergehend deaktiviertes Entlüftungsventil, das anderweitig konfiguriert ist, zum Übergang von einer ersten Position zu einer zweiten Position und damit zum Modulieren von Stickstoff, der aus der Anode abgelassen wird. Das Verfahren beinhaltet das Erhöhen eines ersten Drucks in der Anode über eine Steuerung und, parallel zum Erhöhen, das Verringern eines zweiten Drucks in der Kathode über die Steuerung. Ein System und eine Vorrichtung, die den Brennstoffzellenstapel beinhalten, werden ebenfalls beschrieben.

Description

  • EINLEITUNG
  • Die Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels sowie auf ein System und eine Vorrichtung, die den Brennstoffzellenstapel beinhalten.
  • Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die im Allgemeinen eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten beinhaltet, der zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Während des Betriebs der Brennstoffzelle kann Wasserstoffgas in die Anode und Sauerstoff oder Luft in die Kathode eindringen. Das Wasserstoffgas kann in der Anode dissoziiert werden, um freie Wasserstoff-Protonen und -Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen fließen durch den Elektrolyten zur Kathode und reagieren mit Sauerstoff und Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Weiterhin können die Elektronen von der Anode nicht durch den Elektrolyten hindurchtreten und werden durch einen Verbraucher geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie zur Kathode gesendet werden. Dadurch können mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert werden, um eine gewünschte Leistung des Brennstoffzellenstapels zu erzeugen. So kann beispielsweise ein Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug viele gestapelte Brennstoffzellen beinhalten.
  • Eine Art von Brennstoffzellenstapel, ein Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenstapel (PEMFC), kann mit weniger als 100 % Wasserstoff-Kraftstoffeffizienz betrieben werden. Während des Betriebs des PEMFC können die in der Anode vorhandenen Inertgase ihre Konzentration mit dem Verbrauch des Wasserstoffgases erhöhen. Stickstoff kann auch über die Polymerelektrolytmembran von der Kathode zur Anode diffundieren, was zu dem in der Anode vorhandenen Stickstoff beitragen kann. Daher kann der Brennstoffzellenstapel auch ein Entlüftungsventil beinhalten, um einen Teil des rezirkulierenden Anodengases zu spülen oder zu entleeren und eine übermäßige Ansammlung von Stickstoff in der Anode zu verhindern.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Ein Brennstoffzellenstapel beinhaltet eine Kathode, eine Anode und ein vorübergehend deaktiviertes Entlüftungsventil, das anderweitig konfiguriert ist, zum Übergang von einer ersten Position zu einer zweiten Position und damit zum Modulieren von Stickstoff, der aus der Anode abgelassen wird. Das Verfahren beinhaltet das Erhöhen eines ersten Drucks in der Anode über eine Steuerung und, parallel zum Erhöhen, das Verringern eines zweiten Drucks in der Kathode über die Steuerung.
  • In einem Aspekt kann das Verfahren ferner das Aufrechterhalten einer relativen Feuchtigkeit von weniger als einer relativen Schwellenwertfeuchtigkeit in der Kathode über die Steuerung mit dem Verringern beinhalten.
  • Das Erhöhen kann das Vergrößern einer Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck beinhalten, um dadurch einen ersten Stickstoffpartialdruck in der Anode und einen zweiten Stickstoffpartialdruck in der Kathode auszugleichen. Weiterhin kann Wasserstoff in der Anode in einer Wasserstoffkonzentration vorhanden sein. Das Erhöhen und Verringern kann das Ausgleichen des ersten Partialdrucks und des zweiten Partialdrucks beinhalten, um dadurch die Wasserstoffkonzentration in der Anode zu stabilisieren. Das Verfahren kann ferner vor dem Erhöhen das Erfassen über die Steuerung beinhalten, dass das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil in der ersten Position angeordnet ist und nicht in die zweite Position übergehen kann.
  • Der Brennstoffzellenstapel kann so konfiguriert werden, dass er während des Betriebs ein Nebenprodukt erzeugt. Der Brennstoffzellenstapel kann ferner ein Abgas beinhalten, das zum Fördern des Nebenprodukts in die Atmosphäre konfiguriert ist, und einen Expander, der zwischen der Kathode und dem Abgas angeordnet und zum Expandieren des Nebenprodukts konfiguriert ist. Das Verringern kann auch das Umgehen des Expanders beinhalten.
  • In einem weiteren Aspekt kann das Verringern auch das Erhöhen einer Wasserstoffkonzentration in der Anode auf mehr als oder gleich 10 Volumenteile Wasserstoff, bezogen auf 100 Volumenteile einer Gesamtmenge von Stickstoff und Wasserstoff, beinhalten.
  • Gleichzeitig mit dem Verringern kann das Verfahren das Erzeugen und Aufrechterhalten einer Leistung des Brennstoffzellenstapels beinhalten, die ausreicht, um eine Vorrichtung für einen vorgegebenen Zeitraum zu betreiben, während das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil in der ersten Position angeordnet ist.
  • Das Verfahren kann ferner das Erwärmen des vorübergehend deaktivierten Entlüftungsventils beinhalten, um dadurch das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil von der ersten Position in die zweite Position zu überführen.
  • In einem weiteren Aspekt kann das Verfahren vor dem Erhöhen des ersten Drucks das Messen einer Kühlmitteleintrittstemperatur über mindestens einen Temperatursensor und das Vergleichen der Kühlmitteleintrittstemperatur mit einer Schwellentemperatur über einen Prozessor beinhalten, um Folgendes zu definieren: eine erste Bedingung, in der die Kühlmitteleintrittstemperatur niedriger als die Schwellentemperatur ist, oder eine zweite Bedingung, in der die Kühlmitteleintrittstemperatur höher als oder gleich der Schwellentemperatur ist. Nach dem Vergleichen kann das Verfahren das Erfassen über die Steuerung beinhalten, dass das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil in der ersten Position angeordnet ist.
  • Weiterhin kann das Verringern das Vergleichen einer Wasserstoffkonzentration in der Anode mit einer Schwellenwert-Wasserstoffkonzentration beinhalten, um dadurch Folgendes zu definieren: eine dritte Bedingung, in der die Wasserstoffkonzentration kleiner als die Wasserstoffschwellenkonzentration ist, oder eine vierte Bedingung, in der die Wasserstoffkonzentration größer als oder gleich der Wasserstoffschwellenkonzentration ist. Für die dritte Bedingung kann das Verfahren das Verringern der Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels beinhalten, oder für die vierte Bedingung kann das Verfahren das Halten einer Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels beinhalten. Das Verfahren kann auch das Bestimmen beinhalten, ob der Brennstoffzellenstapel vor dem Vergleichen der Wasserstoffkonzentration mit der Schwellenwert-Wasserstoffkonzentration einen vollständig erwärmten Zustand erreicht hat.
  • Ein System beinhaltet einen Brennstoffzellenstapel mit einer Kathode, einer Anode und einem vorübergehend deaktivierten Entlüftungsventil, das anderweitig konfiguriert ist, zum Übergang von einer ersten Position zu einer zweiten Position und damit zum Modulieren von Stickstoff, der aus der Anode abgelassen wird. Das System beinhaltet auch eine elektrische Maschine, die elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist und von diesem angetrieben wird. Das System beinhaltet ferner eine Steuerung in Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel, die einen Prozessor aufweist und konfiguriert ist, um den Betrieb des Brennstoffzellenstapels aufrechtzuerhalten, wenn das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil in der ersten Position durch Ausführen von Anweisungen durch den Prozessor angeordnet ist. Das Ausführen der Anweisungen bewirkt, dass die Steuerung gleichzeitig einen ersten Druck in der Anode und einen zweiten Druck in der Kathode erhöht.
  • In einem Aspekt kann das Ausführen der Anweisungen weiterhin dazu führen, dass die Steuerung eine relative Luftfeuchtigkeit von weniger als einer relativen Schwellenwertfeuchtigkeit in der Kathode aufrechterhält, während gleichzeitig der erste Druck erhöht und der zweite Druck verringert wird.
  • Weiterhin kann die Steuerung konfiguriert werden, um Wasserstoff in die Anode einzuspritzen, um dadurch den ersten Druck zu erhöhen.
  • Das System kann auch mindestens einen von einem Wasserstoffkonzentrationssensor und einem Wasserstoffkonzentrationsmodell in Verbindung mit der Steuerung beinhalten und zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration in der Anode konfiguriert sein. Die Steuerung kann ferner konfiguriert werden, um die Leistungsabgabe eines Brennstoffzellenstapels zu begrenzen, der vom Brennstoffzellenstapel an die elektrische Maschine abgegeben wird, um dadurch die Wasserstoffkonzentration zu erhöhen.
  • Eine Vorrichtung beinhaltet einen Satz von Antriebsrädern und einen Brennstoffzellenstapel. Der Brennstoffzellenstapel beinhaltet eine Kathode, eine Anode und ein vorübergehend deaktiviertes Entlüftungsventil, das anderweitig konfiguriert ist, zum Übergang von einer ersten Position zu einer zweiten Position und damit zum Modulieren von Stickstoff, der aus der Anode abgelassen wird. Die Vorrichtung beinhaltet auch einen elektrischen Fahrmotor, der elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist und von diesem angetrieben wird, worin der elektrische Fahrmotor ein mit dem Satz von Antriebsrädern gekoppeltes Abtriebselement aufweist. Darüber hinaus beinhaltet die Vorrichtung eine Steuerung in Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel, die einen Prozessor aufweist und konfiguriert ist, um den Betrieb des Brennstoffzellenstapels aufrechtzuerhalten, wenn das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil in der ersten Position durch Ausführen von Anweisungen durch den Prozessor angeordnet ist. Das Ausführen der Anweisungen bewirkt, dass die Steuerung gleichzeitig einen ersten Druck in der Anode und einen zweiten Druck in der Kathode erhöht.
  • In einem Aspekt kann das Ausführen der Anweisungen weiterhin dazu führen, dass die Steuerung eine relative Luftfeuchtigkeit von weniger als einer relativen Schwellenwertfeuchtigkeit in der Kathode aufrechterhält, während gleichzeitig der erste Druck erhöht und der zweite Druck verringert wird.
  • Darüber hinaus kann der Brennstoffzellenstapel den Satz von Antriebsrädern für einen vorgegebenen Zeitraum antreiben, während das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil in der ersten Position angeordnet ist.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer Vorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel und einer Steuerung in Verbindung mit dem Brennstoffzell enstapel.
    • 2 ist eine schematische Darstellung einer Explosionszeichnung des Brennstoffzellenstapels von 1.
    • 3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels der 1 und 2.
    • 4 ist ein Flussdiagramm von anderen Aspekten des Verfahrens von 3.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen sich gleiche Referenznummern auf gleiche Elemente beziehen, wird ein System 10 und eine Vorrichtung 12 mit einem Brennstoffzellenstapel 14 in 1 allgemein dargestellt. Ferner ist ein Verfahren 16 zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels 14 im Allgemeinen in 3 dargestellt. Insbesondere und wie im Folgenden näher ausgeführt, kann das Verfahren 16 zum Betreiben von Brennstoffzellenstapeln 14 nützlich sein, die ein vorübergehend deaktiviertes Entlüftungsventil 18 (1) beinhalten, z. B. ein festsitzendes, festgefahrenes, blockiertes, verstopftes, mechanisch fehlerhaftes oder elektrisch fehlerhaftes Entlüftungsventil 18. Daher kann das Verfahren 16 nützlich sein, um den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 14 aufrechtzuerhalten, auch wenn das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 nicht funktioniert. Daher können beispielsweise das Verfahren 16, das System 10 und die Vorrichtung 12 besonders geeignet sein für Anwendungen, bei denen der Brennstoffzellenstapel 14 bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt startet und/oder arbeitet, sodass das am Entlüftungsventil 18 vorhandene Wasser gefriert und den Betrieb des vorübergehend deaktivierten Entlüftungsventils 18 verhindert.
  • Daher kann das Verfahren 16, das System 10 und die Vorrichtung 12 für Fahrzeuganwendungen nützlich sein, wie beispielsweise Automobile, Busse, Gabelstapler, Motorräder, Fahrräder, Züge, Straßenbahnen, Raumfahrzeuge, Flugzeuge, landwirtschaftliche Ausrüstung, Boote und U-Boote. Alternativ kann das Verfahren 16, das System 10 und die Vorrichtung 12 für nicht-fahrzeuggebundene Anwendungen nützlich sein, wie beispielsweise stationäre Stromerzeugung, tragbare Stromerzeugung, Elektronik, entfernte Wetterstationen, Kommunikationszentren, Forschungsstationen und dergleichen. Als nicht-einschränkendes Beispiel kann das Verfahren 16, das System 10 und die Vorrichtung 12 für Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenanwendungen für nicht-autonome, autonome oder halbautonome Fahrzeuganwendungen (dargestellt im Allgemeinen bei in 1) nützlich sein, in denen der Brennstoffzellenstapel 14 beim Einschalten 200 (4) oder im weiteren Betrieb Temperaturen unter dem Gefrierpunkt ausgesetzt wird. So kann beispielsweise das Verfahren 16 für den Betrieb eines Brennstoffzellenstapels 14 in einer Vorrichtung 12, wie beispielsweise einem Fahrzeug, das über einen längeren Zeitraum bei Minusgraden geparkt wurde und nun ein sofortiges Starten und Fahren erfordert, nützlich sein.
  • Wie im Folgenden näher beschrieben, verhindert das Verfahren 16 einen Stickstoffstrom (N2 ) zu und/oder eine Anhäufung von Stickstoff (N2 ) in der Anode 26, bis das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 die nominale Funktionalität wiedererlangen kann und erneut zum Modulieren von Stickstoff (N2 ) arbeitet, der aus der Anode 26 abgelassen wird. Insbesondere manipuliert das Verfahren 16 die Drücke 20, 22 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 14, um den Stickstoffstrom (N2 ) zur Anode 26 zu steuern, bis das Entlüftungsventil 18 nicht mehr deaktiviert ist und wie vorgesehen funktioniert, um Stickstoff (N2 ) aus der Anode 26 abzuleiten.
  • Insbesondere beinhaltet der Brennstoffzellenstapel 14, wie unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben, eine Kathode 24, eine Anode 26 und einen Elektrolyten 28, z. B. eine Polymerelektrolytmembran, die zwischen der Kathode 24 und der Anode 26 angeordnet ist. Wie in 2 näher dargestellt, kann der Brennstoffzellenstapel 14 aus einer oder mehreren Membran-Elektrodenanordnungen (MEA) gebildet werden, welche die Kathode 24, die Anode 26, den Elektrolyten 28; eine Vielzahl von Strömungsplatten 25; einen Katalysator 29; und eine Vielzahl von Gasdiffusionsschichten 30 beinhalten.
  • Während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 14 kann chemische Energie aus einer elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff (H2 ) und Sauerstoff (O2 ) in elektrische Energie umgewandelt werden. Insbesondere, wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, kann Wasserstoffgas (H2 ) in die Anode 26 eintreten und katalytisch in Protonen (H+) und Elektronen (e- ) am Katalysator 29 der Anode 26 aufgespalten werden. Die Protonen (H+) können durch die Polymerelektrolytmembran 28 zur Kathode 24 hindurchtreten, während die Elektronen (e- ) die Polymerelektrolytmembran 28 nicht hindurchtreten lassen, sondern stattdessen entlang eines externen Lastkreises 32 zur Kathode 24 wandern können, um eine Leistungsabgabe 34 oder einen elektrischen Strom des Brennstoffzellenstapels zu erzeugen. Gleichzeitig kann Luft, z. B. Sauerstoff (O2 ) und Stickstoff (N2 ), in die Kathode 24 eintreten, mit den Protonen (H+ ) reagieren, die durch die Polymerelektrolytmembran 28 und die Elektronen (e- ), die aus dem externen Lastkreis 32 zur Kathode 24 gelangen, durchdringen und ein Nebenprodukt 36 bilden, d. h. Wasser (H2O) und Wärme, die durch ein Abgas 38 des Brennstoffzellenstapels 14 abgegeben werden kann. Somit kann an der Kathode 24 vorhandener Stickstoff (N2 ) während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 14 von der Kathode 24 durch die Polymerelektrolytmembran 28 zur Anode 26 gelangen.
  • Daher beinhaltet der Brennstoffzellenstapel 14 auch das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18, das ansonsten konfiguriert ist, zum Übergang von einer ersten Position 40 in eine zweite Position 42 und damit zum Modulieren von Stickstoff (N2 ), der aus der Anode 26 austritt. In einer Ausführungsform kann die erste Position 40 eine geschlossene Position und die zweite Position 42 eine geöffnete Position sein, sodass das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 geschlossen bleibt. Das heißt, die zweite Position 42 kann ein nominaler Betriebszustand für das Entlüftungsventil 18 sein. Alternativ kann die erste Position 40 eine geöffnete Position und die zweite Position 42 eine geschlossene Position sein, sodass das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 geöffnet bleibt.
  • So kann beispielsweise in einer Ausführungsform das Entlüftungsventil 18 während des Nennbetriebs des Entlüftungsventils 18 von der ersten Position 40 in die zweite Position 42 übergehen, um Stickstoff (N2 ) aus der Anode 26 abzuführen. Unter bestimmten Bedingungen kann das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 jedoch in der ersten Position 40 verbleiben und den Stickstoff (N2 ) nicht effektiv aus der Anode 26 ablassen. So kann beispielsweise das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 verklemmt, eingefroren, verstopft, blockiert oder anderweitig mechanisch oder elektrisch nicht in der Lage sein, Stickstoff (N2 ) aus der Anode 26 abzuleiten.
  • Alternativ kann das Entlüftungsventil 18 in einer anderen Ausführungsform während des Nennbetriebs des Entlüftungsventils 18 von der ersten Position 40 in die zweite Position 42 übergehen, um z. B. zu verhindern, dass Stickstoff (N2 ) aus der Anode 26 abgeleitet wird. Bei dieser Ausführungsform kann das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 jedoch unter bestimmten Bedingungen in der ersten Position 40 verbleiben, z. B. kann es geöffnet bleiben und die Stickstoff-Entwässerung (N2 ) aus der Anode 26 nicht wirksam begrenzen.
  • Weiterhin kann der Brennstoffzellenstapel 14, obwohl nicht dargestellt, ein oder mehrere Kühlsysteme beinhalten, die konfiguriert sind, um ein Kühlmittel mit in die Kathode 24 zugeführter Luft gleichstromig zu strömen, um eine gewünschte Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 14 zu halten.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 1 beinhalten das System 10 und die Vorrichtung 12 den Brennstoffzellenstapel 14 und eine elektrische Maschine 44, die elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel 14 verbunden und von diesem angetrieben wird. Geeignete nicht einschränkende Beispiele für elektrische Maschinen 44 können Permanentmagnet-Gleichstrommotoren, Wechselstrommotoren, Gleichstromgeneratoren, Wechselstromgeneratoren, Wirbelstromkupplungen, Wirbelstrombremsen, Drehstromwandler, Hysteresekraftmesser, Transformatoren und dergleichen sein. So kann beispielsweise die elektrische Maschine 44 ein elektrischer Fahrmotor 144 für eine Vorrichtung 12 mit einem zumindest teilweise elektrischen Antriebsstrang sein. Das durch die elektrische Maschine 44 erzeugte Motordrehmoment kann zum Antreiben der Vorrichtung 12, z. B. einem Fahrzeug, Starten eines Verbrennungsmotors und/oder zum Ausführen anderer Hochspannungsfunktionen verwendet werden.
  • Insbesondere in einem Fahrzeug kann eine bestimmte elektrische Maschine 44 als elektrischer Fahrmotor 144 konfiguriert sein, der ein Drehmoment ausgibt, das letztendlich das Fahrzeug antreibt. Das heißt, die Vorrichtung 12 kann einen Satz von Antriebsrädern 46 beinhalten und der elektrische Fahrmotor 144 kann ein Abtriebselement 48 aufweisen, das mit dem Satz von Antriebsrädern 46 gekoppelt ist. So kann beispielsweise die elektrische Maschine 44 durch die Leistungsabgabe 34 des Brennstoffzellenstapels (2), die während der vorstehend beschriebenen Reaktion von Wasserstoff (H2 ) und Sauerstoff (O2 ) innerhalb des Brennstoffzellenstapels 14 erzeugt wird, sodass die bestromte elektrische Maschine 44 über das Abtriebselement 48 ein Abtriebsmoment erzeugt, mit Strom versorgt werden.
  • Insbesondere kann das Abtriebselement 48 als nicht-einschränkendes fahrzeugseitiges Beispiel mit dem Satz von Antriebsrädern 46 der Vorrichtung 12 gekoppelt werden, z. B. über ein Planetengetriebe oder ein Getriebe (nicht dargestellt). Das erzeugte Abtriebsdrehmoment kann dem Satz von Antriebsrädern 46 zugeführt werden, während der Satz von Antriebsrädern 46 in Rollkontakt mit einer Fahrbahnoberfläche 50 steht, sodass die elektrische Maschine 44 schließlich die Vorrichtung 12 oder das Fahrzeug in einigen Betriebsarten antreibt.
  • In „Mildhybrid-“ oder Elektrofahrzeug-Ausführungsformen mit erweiterter Reichweite kann das Fahrzeug beispielsweise einen Verbrennungsmotor aufweisen, der über eine Riemenantriebsanordnung mit der elektrischen Maschine 44 verbunden ist, sodass, wenn die elektrische Maschine 44 durch den Brennstoffzellenstapel 14 angetrieben wird, die elektrische Maschine 44 zum Kurbeln und Starten des Motors betrieben werden kann. Insbesondere kann der Brennstoffzellenstapel 14, wie im Folgenden näher ausgeführt, den Satz von Antriebsrädern 46 für einen vorgegebenen Zeitraum antreiben, z. B. mindestens 5 Minuten oder mindestens 15 Minuten oder mindestens 30 Minuten oder mindestens eine Stunde, während das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 in der ersten Position 40 angeordnet ist. Das heißt, das Verfahren 16, das System 10 und die Vorrichtung 12 können den weiteren Betrieb des Brennstoffzellenstapels 14 für den vorgegebenen oder gewünschten Zeitraum ermöglichen, auch wenn das Entlüftungsventil 18 festgefroren oder anderweitig vorübergehend deaktiviert ist und in der ersten Position 40 festsitzt, d. h. auch wenn Stickstoff (N2 ) nicht aus der Anode 26 durch das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 austreten kann. Obwohl in 1 zur Vereinfachung als eine einzelne elektrische Maschine 44 dargestellt, die als elektrischer Fahrmotor 144 konfiguriert ist, können das System 10 und die Vorrichtung 12 weiterhin eine Vielzahl von separaten elektrischen Maschinen 44 beinhalten, die jeweils für eine bestimmte Aufgabe ausgelegt und konfiguriert sind.
  • Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 1 beinhalten das System 10 und die Vorrichtung 12 auch eine Steuerung 52 in Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel 14, die einen Prozessor 54 aufweist und konfiguriert ist, um den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 14 aufrechtzuerhalten, wenn das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 in der ersten Position 40 durch Ausführen von Anweisungen 56 durch den Prozessor 54 angeordnet ist. Insbesondere, wie im Folgenden näher ausgeführt, bewirkt das Ausführen der Anweisungen 56, dass die Steuerung 52 gleichzeitig einen ersten Druck 20 in der Anode 26 und einen zweiten Druck 22 in der Kathode 24 erhöht. Obwohl im Folgenden noch einmal näher erläutert, kann beispielsweise die Steuerung 52 konfiguriert werden, um Wasserstoff (H2 ) in die Anode 26 einzuspritzen, um dadurch den ersten Druck 20 zu erhöhen. Weiterhin kann das Ausführen der Anweisungen 56 auch dazu führen, dass die Steuerung 52 eine relative Luftfeuchtigkeit 58 von weniger als einer relativen Schwellenwertfeuchtigkeit in der Kathode 24 aufrechterhält, während sie gleichzeitig den ersten Druck 20 erhöht 70 (3) und den zweiten Druck 22 verringert 72 (3). So kann beispielsweise der Schwellenwert für die relative Luftfeuchtigkeit gemäß einem Feuchtekalibriermodell vorgegeben werden und weniger als 100 % betragen. Das heißt, der Schwellenwert für die relative Feuchtigkeit kann kleiner als oder gleich 90 % oder kleiner als oder gleich 80 % oder kleiner als oder gleich etwa 70 % oder kleiner als oder gleich 60 % sein.
  • Anders ausgedrückt, können das System 10 und die Vorrichtung 12 durch die Steuerung 52 geregelt werden. Als Teil einer Regelfunktion kann die Steuerung 52 mit computerlesbaren Anweisungen 56 programmiert werden, die das Verfahren 16 zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels 14 und damit zum Steuern eines Betriebs des Brennstoffzellenstapels 14 und/oder der Vorrichtung 12 oder des Fahrzeugs mit dem Brennstoffzellenstapel 14 verkörpern. Obwohl erneut eine Fahrzeuganwendung im Folgenden mit Bezug auf 1 beschrieben wird, kann eine größere Bandbreite möglicher Anwendungen von Brennstoffzellenstapeln 14 von den beschriebenen Lehren profitieren, einschließlich Kraftwerke und mobile Plattformen sowie Roboter und Energieanlagen.
  • Als Teil des Verfahrens 16 kann die Steuerung 52 programmiert werden, um einen Satz von Eingangswerten (Pfeile 60) zu bestimmen und unter Verwendung der empfangenen Eingangswerte (Pfeile 60) den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 14, des Systems 10 und/oder der Vorrichtung 12 zu steuern. Wie im Folgenden beschrieben, können die Eingangswerte (Pfeile 60) von mindestens einem Temperatursensor, Drucksensor, Strömungssensor, Wasserstoffkonzentrationsmodell 62, Wasserstoffkonzentrationssensor 162, Stickstoffkonzentrationssensor, Relativfeuchtesensoren, Stromsensor, Brennstoffzellenstapel-Leistungssensor und dergleichen an die Steuerung 52 weitergeleitet werden, und können z. B. den ersten Druck 20, den zweiten Druck 22, die relative Luftfeuchtigkeit 58 innerhalb der Kathode 24, eine Kühlmitteleintrittstemperatur 64 (4), eine Wasserstoffkonzentration 66 (4) in der Anode 26, die Leistungsabgabe 34 (2) des Brennstoffzellenstapels und dergleichen beinhalten.
  • Um zugewiesene Funktionen auszuführen, kann die Steuerung 52 einen Prozessor 54 und einen Speicher 68 beinhalten. Der Speicher 68 kann nicht-flüchtige Speicher, z. B. Nur-Lese-Speicher, ob optisch, magnetisch, Flash- oder anderweitige beinhalten. Die Steuerung 52 kann auch ausreichende Mengen von Direktzugriffsspeichern, einen elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher und dergleichen sowie einen Hochgeschwindigkeitstakt, eine Analog-zu-Digital und eine Digital-zu-Analog-Schaltung und Eingabe-/Ausgabeschaltungen und Vorrichtungen sowie entsprechende Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen beinhalten.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf das Verfahren 16, wie es in Bezug auf die 1 und 3 beschrieben ist, beinhaltet das Verfahren 16 (3) zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels 14 das Erhöhen 70 (3) des ersten Drucks 20 in der Anode 26 über die Steuerung 52, und gleichzeitig mit dem Erhöhen 70, das Verringern 72 des zweiten Drucks 22 in der Kathode 24 über die Steuerung 52. Weiterhin kann das Verfahren 16 gleichzeitig mit dem Verringern 72 das Halten 74 der relativen Luftfeuchtigkeit 58 von weniger als der relativen Schwellenfeuchtigkeit in der Kathode 24 über die Steuerung 52 beinhalten.
  • Insbesondere kann das Erhöhen 70 das Vergrößern einer Differenz zwischen dem ersten Druck 20 und dem zweiten Druck 22 beinhalten, um dadurch einen ersten Stickstoffpartialdruck (N2 ) in der Anode 26 und einen zweiten Stickstoffpartialdruck (N2 ) in der Kathode 24 auszugleichen. Das heißt, das Verfahren 16 kann das Steuern des ersten Drucks 20 in der Anode 26 und des zweiten Drucks 22 in der Kathode 24 beinhalten, um eine Partialdruck-Antriebskraft zwischen der Kathode 24 und der Anode 26 zu reduzieren und dadurch eine Stickstoff-Permeationsrate (N2 ) von der Kathode 24 zu der Anode 26 zu reduzieren oder zu stoppen. So kann beispielsweise Stickstoff (N2 ) im Allgemeinen unter Nennbetriebsbedingungen von der Kathode 24 durch die Polymerelektrolytmembran 28 zur Anode 26 fließen, wie in 1 dargestellt. Wenn jedoch das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 in der ersten Position 40 unerwünscht so angeordnet ist, dass sich ansammelnder Stickstoff (N2 ) nicht effektiv aus der Anode 26 austreten kann, kann das Verfahren 16 das Manipulieren des ersten Drucks 20 und des zweiten Drucks 22 beinhalten, um den Stickstoffstrom (N2 ) von der Anode 26 zur Kathode 24 und nicht von der Kathode 24 zur Anode 26 zu leiten.
  • Weiterhin kann Wasserstoff (H2 ) in der Anode 26 in einer Wasserstoffkonzentration 66 (4) vorhanden sein. Das Erhöhen 70 und Verringern 72 kann ebenfalls das Ausgleichen des ersten Partialdrucks und des zweiten Partialdrucks beinhalten, um dadurch die Wasserstoffkonzentration 66 in der Anode 26 zu stabilisieren. Das heißt, da der erste Partialdruck und der zweite Partialdruckausgleich erfolgen, kann das Verfahren 16 auch das Beruhigen oder Verhindern der Wasserstoffkonzentration 66 in der Anode 26 beinhalten. Insbesondere kann sich die Stickstoff-Permeationsrate (N2 ) verlangsamen und schließlich abbrechen, wenn der erste Druck 20 in der Anode 26 ansteigt und der zweite Druck 22 in der Kathode 24 sinkt, sowohl aufgrund der vorstehend beschriebenen reduzierten Partialdruck-Antriebskraft als auch aufgrund des Niedertemperaturbetriebs des Brennstoffzellenstapels 14.
  • 4 veranschaulicht im Detail zusätzliche Anweisungen 56, die von der Steuerung 52 und/oder dem Prozessor 54 ausführbar sind, um den ersten Druck 20 zu erhöhen 70 und den zweiten Druck 22 zu verringern 72.
  • Das heißt, bezogen auf 4, kann das Verfahren 16 beim Starten 200 des Brennstoffzellenstapels 14 vor dem Erhöhen 70 des ersten Drucks 20 weiterhin das Messen 76 der Kühlmitteleintrittstemperatur 64 über den mindestens einen Temperatursensor 78 beinhalten. Das Verfahren 16 kann auch das Vergleichen 80 der Kühlmitteleintrittstemperatur 64 mit einer Schwellentemperatur 82 über den Prozessor 54 beinhalten, um Folgendes zu definieren: eine erste Bedingung 84, in der die Kühlmitteleintrittstemperatur 64 niedriger als die Schwellentemperatur 82 ist; oder eine zweite Bedingung 86, in der die Kühlmitteleintrittstemperatur 64 höher als oder gleich der Schwellentemperatur 82 ist. Die Schwellentemperatur 82 kann durch Kalibrieren des Brennstoffzellenstapels 14 bestimmt werden und kann eine Temperatur darstellen, bei der das Kühlmittel warm genug sein kann, um Eis zu schmelzen oder anzuzeigen, dass sich der Brennstoffzellenstapel 14 dem Nennbetrieb annähert. Daher kann das Verfahren 16 das Bestimmen beinhalten, ob die Kühlmitteleintrittstemperatur 64 größer als eine vorgegebene Schwellentemperatur 82 ist.
  • Für die erste Bedingung 84 und für die zweite Bedingung 86 kann das Verfahren 16 nach dem Vergleichen 80 das Erfassen 88 über die Steuerung 52 beinhalten, dass das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 in der ersten Position 40 angeordnet ist. Das heißt, das Verfahren 16 kann vor dem Erhöhen 70 das Erfassen 88 über die Steuerung 52 beinhalten, dass das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 in der ersten Position 40 angeordnet ist und nicht in die zweite Position 42 übergehen kann, d. h. dass das Entlüftungsventil 18 tatsächlich unerwünscht vorübergehend deaktiviert ist und keinen Stickstoff (N2 ) aus der Anode 26 ableiten kann.
  • Wenn jedoch für die erste Bedingung 84 das Entlüftungsventil 18 nicht mehr vorübergehend deaktiviert ist und in der zweiten Position 42 angeordnet ist, kann das Verfahren 16 das Einstellen oder Aufrechterhalten 74 der Leistungsabgabe 34 (2) des Brennstoffzellenstapels beinhalten, wie es durch die Anforderung oder Verwendung der Vorrichtung 12 oder des Systems 10 erforderlich ist.
  • Darüber hinaus kann das Verfahren 16 für die erste Bedingung 84, wenn das Entlüftungsventil 18 nicht mehr vorübergehend deaktiviert ist und in der zweiten Position 42 angeordnet ist, das erneute Bestimmen 90 beinhalten, ob die Kühlmitteleintrittstemperatur 64 kleiner als eine zweite Schwellentemperatur 92 ist. Das heißt, das Verfahren 16 kann das erneute Messen 76 der Kühlmitteleintrittstemperatur 64 über den mindestens einen Temperatursensor 78 und das erneute Vergleichen 80 der Kühlmitteleintrittstemperatur 64 mit der zweiten Schwellentemperatur 92 über den Prozessor 54 beinhalten. Die zweite Schwellentemperatur 92 kann ebenfalls durch Kalibrieren des Brennstoffzellenstapels 14 bestimmt werden und kann eine Temperatur darstellen, bei der das Kühlmittel warm genug sein kann, um Eis zu schmelzen oder anzuzeigen, dass sich der Brennstoffzellenstapel 14 dem Nennbetrieb annähert.
  • Schließlich kann das Verfahren 16 für die erste Bedingung 84 nach dem Bestimmen 90, ob die Kühlmitteleintrittstemperatur 64 niedriger als die zweite Schwellentemperatur 92 ist, das erneute Erfassen 88 über die Steuerung 52 beinhalten, dass das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 in der ersten Position 40 angeordnet ist.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf die erste Bedingung 84, in der die Kühlmitteleintrittstemperatur 64 niedriger als die Schwellentemperatur 82 ist, und wenn das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 in der ersten Position 40 angeordnet ist, d. h. das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 klemmt oder ist eingefroren, wobei das Verfahren 16 das Erhöhen 70 des ersten Drucks 20 in der Anode 26 über die Steuerung 52, das Verringern 72 des zweiten Drucks 22 in der Kathode 24 über die Steuerung 52 und das Aufrechterhalten 74 der relativen Feuchtigkeit 58 in der Kathode 24 auf weniger als die relative Schwellenfeuchtigkeit über die Steuerung 52 beinhaltet, um dadurch den Stickstoffstrom (N2 ) von der Kathode 24 zu der Anode 26 zu minimieren.
  • Anschließend kann für die erste Bedingung 84 und wenn das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 in der ersten Position 40 angeordnet ist, das Verringern 72 des zweiten Drucks 22 in der Kathode 24 das Vergleichen 80 der Wasserstoffkonzentration 66 in der Anode 26 mit einer Schwellenwert-Wasserstoffkonzentration 166 beinhalten, um dadurch Folgendes zu definieren: eine dritte Bedingung 94, in der die Wasserstoffkonzentration 66 kleiner als die Wasserstoffschwellenkonzentration 166 ist, oder eine vierte Bedingung 96, in der die Wasserstoffkonzentration 66 größer als oder gleich der Wasserstoffschwellenkonzentration 166 ist. Wie vorstehend dargelegt, kann die Wasserstoffkonzentration 66 in der Anode 26 als Differenz zwischen 100 % und einer Stickstoffkonzentration in der Anode 26 definiert werden. Die Schwellenwert-Wasserstoffkonzentration 166 kann durch Kalibrieren des Brennstoffzellenstapels 14 bestimmt werden und kann eine Wasserstoffkonzentration in der Anode 26 darstellen, bei welcher der Brennstoffzellenstapel 14 effizient und stabil arbeiten kann, d. h. er kann Wasserstoff (H2 ) ohne Verhungern im Nennbetrieb effizient verbrauchen. Daher kann das Verfahren 16 das Bestimmen 90 beinhalten, ob die Wasserstoffkonzentration 66 in der Anode 26 kleiner als eine vorgegebene Schwellenwert-Wasserstoffkonzentration 166 ist.
  • Insbesondere kann das System 10 unter erneuter Bezugnahme auf 1 weiterhin mindestens einen der Wasserstoffkonzentrationssensoren 162 und das Wasserstoffkonzentrationsmodell 62 in Verbindung mit der Steuerung 52 beinhalten und zum Schätzen der Wasserstoffkonzentration 66 in der Anode 26 konfiguriert sein. Das Wasserstoffkonzentrationsmodell 62 kann ein Software- oder rechenbasiertes Modell sein, das in der Lage ist, die Wasserstoffkonzentration 66 in der Anode 26 gemäß den Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels 14 vorherzusagen. Weiterhin kann die Steuerung 52 konfiguriert werden, um die Leistungsabgabe 34 des Brennstoffzellenstapels zu begrenzen, die vom Brennstoffzellenstapel 14 an die elektrische Maschine 44 geliefert wird, um dadurch die Wasserstoffkonzentration 66 zu erhöhen.
  • Das heißt, wie im Folgenden näher erläutert, ermöglicht das Verfahren 16 den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 14 auch dann, wenn das Entlüftungsventil 18 in der ersten Position 40 vorübergehend unerwünscht angeordnet ist, indem sowohl der erste Druck 20 in der Anode 26 erhöht als auch die Wasserstoffkonzentration 66 in der Anode 26 vergleichsweise hoch gehalten wird.
  • Wenn die Wasserstoffkonzentration 66 kleiner als die Schwellenwert-Wasserstoffkonzentration 166 ist, d. h. für die dritte Bedingung 94, kann das Verfahren 16 das Verringern von 172 der Leistungsabgabe 34 des Brennstoffzellenstapels beinhalten. Das heißt, die Leistungsabgabe 34 des Brennstoffzellenstapels kann auf einen kalibrierten Wert basierend auf dem Wasserstoffkonzentrationsmodell 62 für den Brennstoffzellenstapel 14 begrenzt werden.
  • Alternativ oder zusätzlich, wenn die Wasserstoffkonzentration 66 kleiner als die Schwellenwert-Wasserstoffkonzentration 166 ist, d. h. für die dritte Bedingung 94, kann das Verfahren 16 auch das Erhöhen der Wasserstoffkonzentration 66 in der Anode 26 beinhalten. In einer Ausführungsform kann das Erhöhen der Wasserstoffkonzentration 66 in der Anode 26 zusammen mit oder nach dem Erhöhen 70 des ersten Drucks 20 und dem Verringern 72 des zweiten Drucks 22 erfolgen. Das heißt, gleichzeitiges Erhöhen 70 des ersten Drucks 20 und Verringern 72 des zweiten Drucks 22 kann vor dem Erhöhen der Wasserstoffkonzentration 66 in der Anode 26 auf mehr als oder gleich 10 Volumenteile Wasserstoff (H2 ) auftreten, z. B. mehr als oder gleich 20 Volumenteile oder mehr als oder gleich 25 Volumenteile oder mehr als oder gleich 30 Volumenteile oder mehr als oder gleich 35 Volumenteile oder mehr als oder gleich 40 Volumenteile oder mehr als oder gleich 45 Volumenteile oder mehr als oder gleich 50 Volumenteile oder mehr als oder gleich 55 Volumenteile oder mehr als oder gleich 60 Volumenteile oder mehr als oder gleich 65 Volumenteile oder mehr als oder gleich 70 Volumenteile oder mehr als oder gleich 75 Volumenteile oder größer als oder gleich 80 Volumenteile, bezogen auf 100 Volumenteile einer Gesamtmenge von Stickstoff (N2 ) und Wasserstoff (H2 ) in der Anode 26.
  • In einer weiteren Ausführungsform, die mit Bezug auf 1 beschrieben wird, kann das gleichzeitige Erhöhen 70 des ersten Drucks 20 und das Verringern 72 des zweiten Drucks 22 das Umgehen eines Expanders 98 des Brennstoffzellenstapels 14 beinhalten. Das heißt, wie vorstehend dargelegt, kann der Brennstoffzellenstapel 14 konfiguriert werden, um das Nebenprodukt 36, d. h. Wasser und Wärme, während des Betriebs abzugeben. Der Brennstoffzellenstapel 14 kann ferner das Abgas 38 beinhalten, das zum Fördern des Nebenprodukts 36 in die Atmosphäre konfiguriert ist, und einen Expander 98, der zwischen der Kathode 24 und dem Abgas 38 angeordnet und zum Expandieren des Nebenprodukts 36 konfiguriert ist. Bei dem Verfahren 16 kann jedoch der Expander 98 umgangen werden, um dadurch die Wasserstoffkonzentration 66 in der Anode 26 zu erhöhen.
  • Oder, wenn die Wasserstoffkonzentration 66 größer oder gleich der Schwellenwert-Wasserstoffkonzentration 166 ist, d. h. für die vierte Bedingung 96, kann das Verfahren 16 das Halten 74 der Leistungsabgabe 34 des Brennstoffzellenstapels beinhalten. Dann kann das Verfahren 16 anschließend wieder das Bestimmen 90 beinhalten, ob die Kühlmitteleintrittstemperatur 64 niedriger als die zweite Schwellentemperatur 92 ist.
  • Wenn jedoch die Kühlmitteleintrittstemperatur 64 höher oder gleich der zweiten Schwellentemperatur 92 ist, oder für die zweite Bedingung 86, in der die Kühlmitteleintrittstemperatur 64 höher oder gleich der Schwellentemperatur 82 ist, kann das Verfahren 16 das Erfassen 88 über die Steuerung 52 beinhalten, ob das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 in der ersten Position 40 angeordnet ist.
  • Wenn das Entlüftungsventil 18 nicht vorübergehend deaktiviert ist, sondern wie gewünscht in der zweiten Position 42 angeordnet ist, kann das Verfahren 16 das Einstellen oder Aufrechterhalten der Leistungsabgabe 34 des Brennstoffzellenstapels 74 beinhalten, wie es die Anforderung oder Verwendung der Vorrichtung 12 oder des Systems 10 erfordert. Darüber hinaus können das System 10 und die Vorrichtung 12 für Automobilanwendungen oder andere Anwendungen, die einen Betreiber erfordern, ein Störungsanzeigesignal, z. B. eine Motorüberwachungsleuchte, beinhalten, das den Betreiber vor einer Fehlfunktion oder einem nicht nominalen Betriebszustand warnen kann. Wenn jedoch das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 wie gewünscht von der ersten Position 40 in die zweite Position 42 übergeht, kann das Verfahren 16 das Löschen 100 oder das Abbrechen des Signals der Störungsanzeigeleuchte beinhalten. Das Verfahren 16 kann dann anschließend das periodische Erfassen 88 über die Steuerung 52 beinhalten, ob das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 in der ersten Position 40 angeordnet ist und nicht in die zweite Position 42 übergehen kann, d. h. ob das Entlüftungsventil 18 festsitzt oder eingefroren ist.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 4 ist für die zweite Bedingung 86, in der die Kühlmitteleintrittstemperatur 64 größer oder gleich der Schwellentemperatur 82 ist, und wenn die Steuerung 52 erfasst, dass das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 in der ersten Position 40 angeordnet ist und nicht in die zweite Position 42 übergehen kann, z.B. wenn das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 geschlossen oder offen klemmt, kann das Verfahren 16 ferner vor dem Vergleichen 80 der Wasserstoffkonzentration 66 mit der Schwellenwert-Wasserstoffkonzentration 166 das Bestimmen 90 beinhalten, ob der Brennstoffzellenstapel 14 einen vollständig erwärmten Zustand 102 erreicht hat. Das heißt, das Verfahren 16 kann das Bestimmen 90 beinhalten, ob der Brennstoffzellenstapel ausreichend erwärmt ist, um einen effizienten Betrieb des Entlüftungsventils 18 zu ermöglichen.
  • Bei einem ersten Zustand 104, in dem der Brennstoffzellenstapel 14 noch nicht den vollständig erwärmten Zustand 102 erreicht hat, beinhaltet das Verfahren 16 das Erhöhen 70 des ersten Drucks 20 in der Anode 26 über die Steuerung 52, das Verringern 72 des zweiten Drucks 22 in der Kathode 24 über die Steuerung 52 und das Aufrechterhalten 74 der relativen Feuchtigkeit 58 von weniger als der relativen Schwellenfeuchtigkeit in der Kathode 24 über die Steuerung 52.
  • Alternativ kann das Verfahren 16 für einen zweiten Zustand 106, in dem der Brennstoffzellenstapel 14 den vollständig erwärmten Zustand 102 erreicht hat, auch das Senden 108 des Störungsanzeigesignals an den Betreiber beinhalten, zusätzlich zum gleichzeitigen Erhöhen 70 des ersten Drucks 20, Verringern 72 des zweiten Drucks 22 und Aufrechterhalten 74 der relativen Feuchtigkeit 58 von weniger als der relativen Schwellenfeuchtigkeit in der Kathode 24.
  • Als nächstes, wie unter fortgesetzter Bezugnahme auf 4 beschrieben, kann das Verfahren 16 das Vergleichen 80 der Wasserstoffkonzentration 66 in der Anode 26 mit der Schwellenwert-Wasserstoffkonzentration 166 beinhalten, um dadurch Folgendes zu definieren: die dritte Bedingung 94, in der die Wasserstoffkonzentration 66 kleiner als die Schwellenwert-Wasserstoffkonzentration 166 ist, oder die vierte Bedingung 96, in der die Wasserstoffkonzentration 66 größer als oder gleich der Schwellenwert-Wasserstoffkonzentration 166 ist.
  • Bei der dritten Bedingung 94 kann das Verfahren 16 das Verringern 172 der Leistungsabgabe 34 eines Brennstoffzellenstapels beinhalten. Das heißt, die Leistungsabgabe 34 des Brennstoffzellenstapels kann auf den kalibrierten Wert basierend auf dem Wasserstoffkonzentrationsmodell 62 für den Brennstoffzellenstapel 14 begrenzt werden. Oder, bei der vierten Bedingung 96, kann das Verfahren 16 das Aufrechterhalten 74 der Leistungsabgabe 34 des Brennstoffzellenstapels beinhalten. Dann, nach dem Verringern 172 oder dem Aufrechterhalten 74, kann das Verfahren 16 anschließend das erneute Bestimmen 90 beinhalten, ob die Kühlmitteleintrittstemperatur 64 niedriger als die zweite Schwellentemperatur 92 ist.
  • Zusammenfassend kann das Verfahren 16 gleichzeitig mit dem Verringern 72 des zweiten Drucks 22 in der Kathode 24 das Erzeugen und Halten 110 der Leistungsabgabe 34 des Brennstoffzellenstapels beinhalten, die ausreicht, um die Vorrichtung 12 für mindestens eine Stunde zu betreiben, während das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 in der ersten Position 40 angeordnet ist. Während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 14 kann sich der Brennstoffzellenstapel 14 in der Folge aufheizen oder erwärmen. Somit kann das Verfahren 16 ferner das Erwärmen 112 des vorübergehend deaktivierten Entlüftungsventils 18 beinhalten, um dadurch das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 von der ersten Position 40 in die zweite Position 42 zu überführen. Das heißt, da sich der Brennstoffzellenstapel 14 durch den weiteren Betrieb erwärmt, kann der Brennstoffzellenstapel 14 ausreichend Wärme erzeugen, um ein eingefrorenes Entlüftungsventil 18 aufzutauen, z. B. durch Öffnen oder Schließen, und Stickstoff (N2 ) aus dem Brennstoffzellenstapel 14 ausströmen zu lassen.
  • Daher sind das Verfahren 16, das System 10 und die Vorrichtung 12 robust und ermöglichen den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 14, auch wenn das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil 18 nicht in die zweite Position 42 übergehen kann. Ferner kann durch das Verfahren 16 die Notwendigkeit von zusätzlichen Heizelementen oder anderen Komponenten entfallen, um einen gleichmäßigen Ventilbetrieb zu gewährleisten. Darüber hinaus ermöglichen das Verfahren 16, das System 10 und die Vorrichtung 12 die sofortige Nutzung und Stromerzeugung durch den Brennstoffzellenstapel 14, ohne dass zeit- und kraftstoffverbrauchsintensive Aufwärmzeiten für den Brennstoffzellenstapel 14 erforderlich sind.
  • Während die besten Arten der Ausführung der Offenbarung detailliert beschrieben wurden, werden die mit der hier beschriebenen Technik vertrauten Fachleute diverse alternative Ausgestaltungen und Ausführungen erkennen, mit denen die Erfindung im Rahmen der nachfolgend aufgeführten Patentansprüche ausgeführt sein kann.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels, worin der Brennstoffzellenstapel eine Kathode, eine Anode und ein vorübergehend deaktiviertes Entlüftungsventil beinhaltet, das anderweitig konfiguriert ist, zum Übergang von einer ersten Position in eine zweite Position und dadurch zum Modulieren von Stickstoff, der aus der Anode abgelassen wird, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erhöhen eines ersten Drucks in der Anode über eine Steuerung; und gleichzeitig mit dem Erhöhen, Verringern eines zweiten Drucks in der Kathode über die Steuerung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, gleichzeitig mit dem Verringern, das Aufrechterhalten einer relativen Feuchtigkeit von weniger als einer relativen Feuchtigkeitsschwelle in der Kathode über die Steuerung.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Erhöhen das Vergrößern einer Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck beinhaltet, um dadurch einen ersten Partialdruck von Stickstoff in der Anode und einen zweiten Partialdruck von Stickstoff in der Kathode auszugleichen.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, worin Wasserstoff in der Anode in einer Wasserstoffkonzentration vorhanden ist, und worin das Erhöhen und Verringern ferner das Ausgleichen des ersten Partialdrucks und des zweiten Partialdrucks beinhaltet, um dadurch die Wasserstoffkonzentration in der Anode zu stabilisieren.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, ferner beinhaltend, vor dem Erhöhen, das Erfassen über die Steuerung, dass das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil in der ersten Position angeordnet ist und nicht in die zweite Position übergehen kann.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Verringern das Erhöhen einer Wasserstoffkonzentration in der Anode auf mehr als oder gleich 10 Volumenteile Wasserstoff, bezogen auf 100 Volumenteile von insgesamt Stickstoff und Wasserstoff, beinhaltet.
  7. System, das Folgendes umfasst: einen Brennstoffzellenstapel, der eine Kathode, eine Anode und ein vorübergehend deaktiviertes Entlüftungsventil beinhaltet, das anderweitig konfiguriert ist, zum Übergang von einer ersten Position zu einer zweiten Position und damit zum Modulieren von Stickstoff, der aus der Anode abgelassen wird; eine elektrische Maschine, die elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist und von diesem angetrieben wird; und eine Steuerung in Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel, die einen Prozessor aufweist und konfiguriert ist, um den Betrieb des Brennstoffzellenstapels aufrechtzuerhalten, wenn das vorübergehend deaktivierte Entlüftungsventil in der ersten Position durch Ausführen von Anweisungen durch den Prozessor angeordnet ist, worin das Ausführen der Anweisungen die Steuerung veranlasst, gleichzeitig Folgendes auszuführen: Erhöhen eines ersten Drucks in der Anode; und Verringern eines zweiten Drucks in der Kathode.
  8. System nach Anspruch 7, worin das Ausführen der Anweisungen ferner bewirkt, dass die Steuerung gleichzeitig eine relative Feuchtigkeit von weniger als einer relativen Schwellenwertfeuchtigkeit in der Kathode aufrechterhält.
  9. System nach Anspruch 7, worin die Steuerung konfiguriert ist, um Wasserstoff in die Anode einzuspritzen, um dadurch den ersten Druck zu erhöhen.
  10. System nach Anspruch 7, ferner umfassend mindestens einen von einem Wasserstoffkonzentrationssensor und einem Wasserstoffkonzentrationsmodell in Verbindung mit der Steuerung und konfiguriert zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration in der Anode, und ferner, worin die Steuerung konfiguriert ist, um eine Leistungsabgabe eines Brennstoffzellenstapels zu begrenzen, die vom Brennstoffzellenstapel an die elektrische Maschine geliefert wird, um dadurch die Wasserstoffkonzentration zu erhöhen.
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