DE10392872T5

DE10392872T5 - Verfahren zum Herunterfahren zur Verbesserung des Anfahrens bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt

Info

Publication number: DE10392872T5
Application number: DE10392872T
Authority: DE
Inventors: Gennady South Windsor Resnick; Carl A. Stonington Reiser
Original assignee: UTC Fuel Cells LLC
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2003-06-19
Publication date: 2005-09-01
Also published as: AU2003251596A1; US20040001981A1; US6864000B2; JP2005531904A; WO2004004056A1

Abstract

Verfahren zum Herunterfahren eines Brennstoffzellensystems, welches eine Mehrzahl von in einem Stapel angeordneter Brennstoffzellen aufweist, aufweisend Abkühlen der Brennstoffzellen auf eine Abschalt-Temperatur, während ein im Wesentlichen gleichförmiger Wasserdampfdruck überall in den Brennstoffzellen aufrechterhalten wird, wodurch eine Bewegung von Wasser innerhalb der Brennstoffzellen während des Abkühlens reduziert wird.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen und insbesondere auf ein Verfahren zum Herunterfahren einer Brennstoffzelle, welches das Anfahren nach Ausgesetztsein in Bedingungen unter dem Gefrierpunkt verbessert.
Elektrochemische Brennstoffzellenanordnung sind bekannt für ihre Fähigkeit, Strom und ein folgende Reaktionsprodukt durch die Reaktion eines zu einer Anode gelieferten Brennstoffs und eines zu einer Kathode gelieferten Oxidationsmittels zu erzeugen, wodurch ein Potenzial zwischen diesen Elektroden gebildet wird. Solche Brennstoffzellenanordnungen sind sehr nützlich und begehrt aufgrund ihrer hohen Effizienz, insbesondere im Vergleich zu Brennstoffsystemen mit interner Verbrennung und ähnlichem. Brennstoffzellenanordnungen sind außerdem vorteilhaft aufgrund ihrer umweltfreundlichen chemischen Reaktionsnebenprodukte, welche erzeugt werden, z. B. Wasser. Um die Temperatur innerhalb der Brennstoffzellenanordnung zu steuern wird ein Kühlmittel für die Brennstoffzellenanordnung bereitgestellt, und dieses Kühlmittel kann üblicherweise auch Wasser sein. Daher zirkuliert Wasser durch die Brennstoffzellenanordnung während ihres Betriebes.
Eine besonders attraktive Verwendung für Brennstoffzellenanordnungen liegt in Kraftfahrzeuganwendungen. Ein entscheidendes Problem in Verbindung mit solchen Anwendungen ist jedoch die Empfindlichkeit der Brennstoffzellenanordnung gegenüber Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, und das durch eine Brennstoffzellenanordnung zirkulierende Wasser ist besonders gefährdet, in der Brennstoffzelle einzufrieren und ernsthafte Probleme beim folgenden Anfahren zu verursachen.
Eine Anzahl von Lösungen für dieses Problem wurde versucht, welche meistens Verfahren zum Entfernen von Wasser von der Brennstoffzellenanordnung umfassten, bevor solches Wasser eine Gefrierpunkttemperatur erreicht. Trotz dieser Anstrengungen bleibt das Bedürfnis für ein effektives und effizientes Verfahren zum Herunterfahren bestehen, welches ein rasches Anfahren nach Bedingungen unterhalb des Gefrierpunktes ermöglicht, ohne die Größe, Kosten oder Anfahr-Zeit der Brennstoffzelle wesentlich zu erhöhen.
Es ist daher das Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herunterfahren zu schaffen, welche diese Anforderungen erfüllt.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die genannten Ziele und Vorteile ohne Schwierigkeiten erreicht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herunterfahren eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt, welche eine Mehrzahl von in einem Stapel angeordneten Brennstoffzellen aufweist, wobei das Verfahren das Abfüllen der Brennstoffzellen auf eine Abschalttemperatur aufweist, während ein im Wesentlichen gleichförmiger Wasserdampfdruck in den Brennstoffzellen aufrechterhalten wird, wodurch die Bewegung von Wasser innerhalb der Brennstoffzellen während des Herunterfahrens verringert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Schritt des Aufrechterhaltens von gleichförmigem Wasserdampfdruck überall in der Zelle während des Abkühlungsschritts durch mehrere alternative Methoden erreicht werden, einschließlich Isolieren der Endbereiche des Brennstoffzellensystems, Erwärmen der Endbereiche des Brennstoffzellensystems, Strömenlassen von Luft durch das Brennstoffzellensystem während des Kühlens, aktives Kühlen des Brennstoffzellensystems durch Zirkulieren von Kühlmittel oder Luft durch das Brennstoffzellensystem und ähnliches. Dies sind alles alternative Verfahren zu Erreichen des gewünschten Ziels, welches darin besteht, einen im Wesentlichen gleichförmigen Wasserdampfdruck überall in der Brennstoffzellanordnung während der Kühlungsschritte aufrechtzuerhalten, so dass die Bewegung von Wasser reduziert, wenn nicht sogar eliminiert ist, wodurch ein Ansammeln von Wasser in Brennstoffzellenkomponenten benachbart zu Endplatten der Brennstoffzellenanordnung verhindert wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Eine detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungen folgt mit Bezug auf die angefügte Zeichnung, worin:
1 schematisch eine Brennstoffzellenanordnung in Verbindung mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung darstellt.
Detaillierte Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen und insbesondere auf ein Verfahren zum Herunterfahren eines Brennstoffzellensystems in Erwartung von Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, welches ein verbessertes Anfahren bietet, nach Ausgesetztsein gegenüber solchen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapel 10 eines Brennstoffzellensystem, welches gemäß des Verfahrens der vorliegenden Erfindung betrieben werden kann.
Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst eine Mehrzahl von Brennstoffzellenkomponentenplatten 12, welche einen Reaktionsbereich 14 des Brennstoffzellenstapels 10 definieren. Wie dem Durchschnittsfachmann bekannt, umfassen Brennstoffzellenkomponentenplatten 12 plattenförmige Komponenten, welche einzelne Brennstoffzellen bilden, und umfassen Komponenten, z. B. Anoden- und Kathodenelektroden auf entgegengesetzten Seiten von Elektrolyten, z. B. PEM Elektrolyten, zusammen mit Kühlmittelplatten, welche zwischen Brennstoffzellen angeordnet sein können, um eine optimale Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 zu erhalten.
1 zeigt ebenfalls ein Brennstoffzellenstapel 10 mit Verzweigungssystemen 16, 18 welche entlang dessen Seiten positioniert sind, um Reaktant und Oxidationsmittel zu den verschiedenen Brennstoffzellenkomponentenplatten wie erwünscht zu transportieren, wie es in der Technik bekannt ist. Außerdem zeigt 1 den Brennstoffzellenstapel 10 mit Endanordnungen 20, 22, z. B. Druckplatten, Dichtungsringe und ähnliches.
Im Betrieb werden Reaktant und Oxidationsmittel durch die Verzweigungssysteme 16, 18 zu dem Brennstoffzellenstapel 10 geführt, um die erwünschte Elektrizität und auch, als Nebenprodukt, Wasser zu erzeugen. Wie bereits erwähnt muss der Brennstoffzellenstapel 10 gekühlt werden, und Kühlmittelkopfstücke 24, 26 und andere solche Strukturen sind vorzugsweise vorgesehen, um Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel 10 wie gewünscht zu führen. Das Kühlmittel ist typischerweise Wasser.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, während des Betriebs, ist es ersichtlich, dass Wasser in den verschiedenen Brennstoffzellenkomponentenplatten 12 vorhanden ist, wenn der Brennstoffzellenstapel 10 abgeschaltet und Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts ausgesetzt wird, kann dieses Wasser frieren, was zu beträchtlichen Schwierigkeiten beim gewünschten Wiederstarten des Brennstoffzellenstapels führt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass solche Schwierigkeiten am problematischsten sind, aufgrund des in den Endzellen 28, 30 frierenden Wassers, was den normalen Betrieb des raschen Anfahrens behindert, und weil Wasser dazu neigt, zu den Endzellen 28, 30 zu wandern, wenn sich der Brennstoffzellenstapel 10 abkühlt. Das liegt daran, dass die Verbrennungssysteme 16, 18 schlechte Wärmeleiter sind und dass das Kühlen daher am raschesten an den Endzellen 28, 30 stattfindet. Daher ist der Dampfpartialdruck am höchsten im Mittelbereich 32 des Brennstoffzellenstapels 10, und am geringsten an den Kühler-Endzellen 28, 30. Dies führt zu einer Bewegung von Wasser in Richtung der Endzellen 28, 30, wo dieses Wasser friert, wenn Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts erreicht werden, was zu beträchtlichen Schwierigkeiten führt. Es ist daher der Ansatz der vorliegenden Erfindung, eine solche Bewegung während des Wanderns zu verhindern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Brennstoffzellenstapel auf eine Weise abgeschaltet, welche die Bewegung von Wanderung zu den Endzellen 28, 30 minimiert mindestens eine Temperatur erreicht ist, bei welcher Wasser aufhört, sich nennneswert zu bewegen, indem der Wasserdampfdruck im Wesentlichen konstant überall in dem Zellenstapel 10 während des Abkühlens gehalten wird.
Indem der Dampfpartialdruck erfindungsgemäß im Wesentlichen gleichförmig gehalten wird, bewegt sich Wasser vorteilhaft nicht in Richtung der Endzellen 28, 30 und friert stattdessen in den Platten, in welchen es sich befindet, und im Wesentlichen in gleichmäßigen Mengen überall im Zellenstapel 10. Diese Mengen sind nicht ausreichend, um wesentliche Schwierigkeiten beim Anfahren zu verursachen, und daher bietet das Verfahren der vorliegenden Erfindung außerordentlich vereinfachtes Anfahren nach Ausgesetztsein des Brennstoffzellenstapels in Bedingungen unterhalb des Gefrierpunkts.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung basiert auf der Entdeckung, dass Verzweigungssysteme 16, 18 relativ schlechte Wärmeleiter sind, während die Strukturen benachbart zu den Endzellen, z. B. Druckplatten und ähnliches, als bessere Wärmeleiter wirken. Aufgrund dessen findet Abkühlung am schnellsten im Bereich der Endzellen 28, 30 statt, was einen Unterschied im Wasserdampfdruck bewirkt, welcher eine Bewegung in Richtung der Endzellen 28, 30 vorantreibt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Wasserdampfdruck über dem Brennstoffzellenstapel 10 vorteilhaft im Wesentlichen konstant gehalten. Dies kann erreicht werden durch Isolieren der Endbereiche des Brennstoffzellenstapels 10, um ein gleichmäßigeres Abkühlen des Brennstoffzellenstapels 10 zu ermöglichen, was erwünscht ist. Alternativ können Bereiche der Endzellen 28, 30 während des Abkühlens erfindungsgemäß erwärmt werden, um so ein im Wesentlichen gleichförmiges Abkühlen zu ermöglichen. Außerdem kann im Wesentlichen gleichförmiger Wasserdampfdruck während des Kühlens aufrechterhalten werden durch Strömenlassen von Luft durch den Brennstoffzellenstapel 10 während des Abkühlens, wobei das Strömenlassen von Luft dazu neigt, den Brennstoffzellenstapel 10 bei einer im Wesentlichen gleichförmigen Rate abkühlen zu lassen.
Erfindungsgemäß wurde gefunden, dass Dampfdruck während des Abkühlens am besten dadurch im Wesentlichen konstant gehalten wird, indem ein Temperaturunterschied zwischen den Endzellen 28, 30 und dem Zentralbereich 32 mit einer Differenz von ≤ ca. 3°C, stärker bevorzugt ≤ ca. 1°C erhalten wird. Wie bereits erwähnt bleibt durch Halten des Temperaturunterschieds bei einem Minimum der Wasserdampfdruck im gesamten Zellstapel 10 im Wesentlichen konstant und das Wasser macht keine nennenswerte Bewegung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Aufrechterhalten des Wasserdampfdrucks durchgeführt, bis der Brennstoffzellenstapel 10 eine Temperatur erreicht, unterhalb welcher die Wasserbewegung nicht nennenswert ist. Es ist bekannt, dass Wasser bei einer Temperatur von 0°C (32° Fahrenheit) friert. Um sicher zu sein, dass keine Wasserbewegung stattfindet, kann es wünschenswert sein, den Wasserdampfdruck konstant zu halten, bis der Brennstoffzellenstapel 10 eine Abschalttemperatur von weniger als ca. 10°C, bevorzugt weniger als ca. 5°C und Idealerweise weniger als 0°C erreicht. Indem der Wasserdampfdruck im Wesentlichen konstant während des gesamten Kühlens gehalten wird, bis eine geeignete Abschalttemperatur erreicht ist, selbst eine Temperatur oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser, wobei die Abschalttemperatur trotzdem ausreichend nahe dem Gefrierpunkt des Wassers wie oben definiert ist, wird nur eine unwesentliche Bewegung des Wassers stattfinden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Temperaturunterschied zwischen den Endzellen 28, 30 und dem Zentralbereich 32 minimiert werden durch Isolieren der Endzellen 28, 30 von Endstrukturen, welche gute Wärmeleiter sind, z. B. Druckplatten und ähnliches. Diese Isolierung kann viele Formen annehmen, z. B. mechanische Beabstandungseinrichtungen, dazwi schen gelagerte Schichten von schlecht wärmeleitenden Material und ähnliches.
Gemäß einem alternativen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann Luft durch den Brennstoffzellenstapel 10 während des Abkühlens geleitet werden, beispielsweise durch ein oder beide Verzweigungssysteme 16, 18, um im Wesentlichen gleichförmiges Abkühlen für den Brennstoffzellenstapel 10 zu bieten, was erwünscht ist.
Ferner kann erfindungsgemäß Wärme auf die Endzellen 28, 30 angewendet werden, beispielsweise unter Verwendung von konventionellen Heizeinrichtungen, höchst bevorzugt eine Heizeinrichtung, welche kompakt ist, wodurch der Brennstoffzellenstapel 10 so klein wie möglich bleibt, und wodurch Wärme, welche an die Endzellen 28, 30 geliefert wird, ausreichend hoch gehalten wird, um ein im wesentlichen gleichförmiges Abkühlen des gesamten Brennstoffzellenstapels 10 zu ermöglichen, was gewünscht ist.
Abkühlen kann bei einer Rate ermöglicht werden, welche durch die Umgebungsbedingungen bestimmt ist, oder es kann beispielsweise durch Strömenlassen eines Kühlmittels wie Umgebungsluft durch die Brennstoffzellenkomponentenplatten 12 bestimmt werden. Wenn man es abkühlen lässt, kann eine im Wesentlichen gleichförmige Abkühlungsrate von zwischen ca. 0,5 und 1,0°C pro Stunde erwartet werden, während aktives Kühlen eine im Wesentlichen gleichförmige Abkühlungsrate von mindestens ca. 7°C pro Stunde ermöglicht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch Aufrechterhalten von im Wesentlichen gleichförmigem Wasserdampfdruck unter Verwendung einer oder mehrerer der oben diskutierten Methoden eine Wasserbewegung verhindert oder zumindest bis zu dem Punkt reduziert werden, bei welchem unakzeptable Konzentration an Wasser nicht in den Endzellen 28, 30 einfrieren und etwas Strömung kann daher direkt während des Anfahrens aus einem gefrorenen Zustand etabliert werden. Dies bietet beträchtliche und vorteilhafte Verbesserungen gegenüber konventionellen Verfahren, welche sich auf die Entfernung von sämtlichem Wasser vor dem Erreichen von Gefrierbedingungen konzen trieren. Diese Anstrengungen, das Wasser zu entfernen, sind kostspielig uneffektiv und durch die vorliegende Erfindung zeigt sich, dass sie unnötig sind.
Es versteht sich dass die Erfindung nicht auf die hier gezeigten und beschriebenen Darstellungen beschränkt ist, welche lediglich anschaulich für die besten Ausführungsarten der Erfindung sind, und welche in Form, Größe, Anordnung von Teilen und Details des Betriebs geändert werden können. Es ist vielmehr beabsichtigt, dass die Erfindung all diese Veränderungen umfasst, welche innerhalb ihres Umfangs, der durch die Patentansprüche definiert ist.
Zusammenfassung
Ein Verfahren zum Herunterfahren eines Brennstoffzellensystems, welches eine Mehrzahl von in einem Stapel angeordneter Brennstoffzellen aufweist, umfasst ein Abkühlen der Brennstoffzellen auf eine Abschalttemperatur, während ein im Wesentlichen gleichförmiger Wasserdampfdruck überall in den Brennstoffzellen aufrechterhalten wird, wodurch eine Bewegung des Wassers innerhalb der Brennstoffzellen während des Abkühlens reduziert wird.

Claims

Verfahren zum Herunterfahren eines Brennstoffzellensystems, welches eine Mehrzahl von in einem Stapel angeordneter Brennstoffzellen aufweist, aufweisend Abkühlen der Brennstoffzellen auf eine Abschalt-Temperatur, während ein im Wesentlichen gleichförmiger Wasserdampfdruck überall in den Brennstoffzellen aufrechterhalten wird, wodurch eine Bewegung von Wasser innerhalb der Brennstoffzellen während des Abkühlens reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Abschalttemperatur ≤ ca. 10°C ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Abschalttemperatur ≤ ca. 5°C ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Abschalttemperatur ≤ ca. 0°C ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Aufrechterhaltens das Aufrechterhalten eines Temperaturunterschiedes zwischen Zellen des Stapels von ≤ ca. 3°C während des Abkühlens aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Aufrechterhaltens das Aufrechterhalten eines Temperaturunterschieds zwischen Zellen des Stapels von 5 ca. 1°C während des Abkühlens aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Aufrechterhaltens ein Wärmeisolieren von Bereichen des Brennstoffzellensystems aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Aufrechterhaltens ein Strömenlassen von Luft durch die Brennstoffzelle während des Schritts des Abkühlens aufweist, um einen im Wesentlichen gleichförmigen Wasserdampfdruck aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Aufrechterhaltens ein Strömenlassen von Kühlmittel durch die Brennstoffzelle während des Schritts des Abkühlens aufweist, um einen im Wesentlichen gleichförmigen Wasserdampfdruck aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Mehrzahl von Brennstoffzellen eine Reihe von Brennstoffzellen einschließlich zweier Endzellen aufweist und bei welchem der Schritt des Aufrechterhaltens ein Bereitstellen von Wärme für die Endzellen aufweist, wodurch der Wasserdampfdruck im Wesentlichen gleichförmig gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem der Schritt des Bereitstellens von Wärme ein Bereitstellen von Wärme aufweist, welches ausreicht, um einen Temperaturunterschied zwischen den Endzellen und den dazwischen positionierten Zellen von ≤ ca. 3°C aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem der Schritt des Bereitstellens von Wärme ein Bereitstellen von Wärme aufweist, welches ausreicht, um einen Temperaturunterschied zwischen den Endzellen und den dazwischen positionierten Zellen von ≤ ca. 1°C aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Abkühlens von ca. 0,5 bis 1°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Kühlens ein aktives Kühlen der Brennstoffzellen bei einer Kühlrate von mindestens ca. 7°C pro Stunde aufweist.
Verfahren zum Herunterfahren eines Brennstoffzellensystems, aufweisend eine Mehrzahl von in einem Stapel angeordneter Brennstoffzellen, aufweisend die folgenden Schritte: Betreiben des Brennstoffzellensystems, so dass in den Brennstoffzellen Wasser bei einem Wasserdampfdruck erzeugt wird; Abkühlen der Brennstoffzellen auf eine Abschalttemperatur; und Aufrechterhalten eines im Wesentlichen gleichförmigen Wasserdampfdrucks überall in den Brennstoffzellen während des Schritts des Abkühlens, wodurch eine Bewegung von Wasser innerhalb der Brennstoffzellen während des Schritts des Abkühlens reduziert wird.