DE112004000247T5

DE112004000247T5 - Schmelzen von Kühlwasser bei Brennstoffzellenstapeln während Anfahren unterhalb des Gefrierpunkts

Info

Publication number: DE112004000247T5
Application number: DE112004000247T
Authority: DE
Inventors: Carl A. Stonington Reiser; Frederick Windsor Sribnik
Original assignee: UTC Fuel Cells LLC
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2024-02-05
Also published as: WO2004073133A3; JP2006517336A; WO2004073133A2; US6986958B2; JP4875485B2; US20040157094A1; DE112004000247B4

Abstract

Verfahren zum Anfahren eines Brennstoffzellensystems, wenn zumindest ein Teil des Systems bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist, wobei das System einen Kühlmittelakkumulator und einen Stapel (19) benachbarter Brennstoffzellen mit (a) Kühlmittel-Strömungskanälen in Fluidverbindung mit dem Akkumulator und mit (b) Brennstoff- und Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfeldern hat, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch:
Übertragen von direkt von den Brennstoffzellen stammender Energie zu dem Kühlmittel in dem Akkumulator, um so Eis in dem Akkumulator zu schmelzen, wobei der Schritt des Übertragens von Energie gewählt ist von einem oder mehreren von:
(c) Anwenden (44, 46) von elektrischer Leistung (47, 41), wenn diese von den Brennstoffzellen erzeugt wird, auf eine elektrische Heizung (45), die in thermischer Verbindung mit dem Kühlmittel (27) in dem Akkumulator (28) ist, und
(d) Übertragen auf das Kühlmittel in dem Akkumulator von Abwärme, wenn diese von den Brennstoffzellen erzeugt wird.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellenstapel, welche Zellenstapel-Leistung für Heizungen nutzen, um gefrorenes Kühlmittelwasser in Akkumulatoren sofort nach dem Anfahren zu schmelzen und/oder welche Abwärme vom Brennstoffzellenbetrieb beim Liefern von Strom an eine Last verwenden, um Akkumulatoren-Eis direkt oder durch kondensierende Wärmetauscher zu schmelzen.

Eine Schwierigkeit beim Verwenden von Brennstoffzellen zum Antrieb von Antriebsystemen von elektrischen Fahrzeugen ist das Erfordernis, dass solche Fahrzeuge unterhalb von Temperaturen betreibbar sein müssen, bei welchen Wasser gefroren ist (unterhalb des Gefrierpunkts). Frieren kann mechanische Schäden infolge der Expansion von Eis verursachen und verursacht Probleme aufgrund der Untrennbarkeit von Wasser von den Brennstoffzellenprozessen. Bisher konzentrierten sich verschiedene Verfahren zum Beginn des Betriebs einer Brennstoffzelle vor dem Betrieb eines elektrischen Fahrzeugs auf das Liefern von Wärme, entweder durch Reaktion oder Verbrennung von Brennstoff, oder durch Batterieleistung an verschiedene Wasser- und andere Kühmittel-Leitungen und -Reservoirs. Andere Anstrengungen sind auf Verfahren gerichtet, die die Rate erhöhen sollen, mit welcher sich ein Brennstoffzellenstapel auf Temperaturen oberhalb des Gefrierpunkts erwärmt als Folge des eigenen Betriebs. Im US-Patent 5 798 186 wird eine Protonenaus tauschmembran (PEM)-Brennstoffzelle einfach aufgewärmt durch Verbinden einer Last über die Zelle, während stöchiometrisch Brennstoff- und Oxidationsmittel zu dem Stapel geliefert werden. In einem Experiment, bei welchem Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittelwasserpassagen vor dem vorherigen Abschalten des Stapels von Wasser freigespült wurden, bewirkte Verwendung von Wasserstoff und Luft bei Raumtemperatur das Ansteigen der Temperatur im Kern eines Stapels mit 10 Zellen von –11°C auf 0°C in ca. 1 min. Ein Stapel mit 4 Zellen, bei welchem nur die Reaktantenkanäle (und nicht der Kühlmittelkanal) vor dem vorherigen Abschalten gespült wurden, benötigte 5 min nach Beginn der Zirkulation von Wasserstoff und Sauerstoff und Verbinden einer Last von 50 A, um von –19°C auf 0°C anzusteigen. Kühlmittel wurde erst ca. 23 min nach dem Anfahren zirkuliert. In einem Stapel mit 4 Zellen, bei welchem keiner der Kanäle vor dem vorherigen Abschalten gespült wurde, fand das Strömen von warmem Wasserstoff erst nach 4 min statt, und 12 min vergingen zwischen dem Anfahren bei –23°C und dem Erreichen von 0°C innerhalb des Kerns eines Stapels mit 4 Zellen. Im US-Patent 6 329 089 erreichten einzelne Brennstoffzellen bei –5°C, welche mit Wasserstoff und Luft bei Raumtemperatur gestartet wurden, 0,5 A/cm² in 5 min. Ein Stapel mit 7 Zellen mit einer Kerntemperatur von –15°C erreichte mit einer Kurzschlusslast 0,5 A/cm² 9 min nach andauerndem Kurzschließen des Stapel-Outputs. Die Leistung anderer Experimente war weniger zufrieden stellend.

Zur Verwendung in Fahrzeugen, z.B. Automobilen, müssen elektrische Antriebsysteme in weniger als 1 min, vorzugsweise weniger als einer halben Minute nach dem Anfahren in Betrieb sein. In der von der gleichen Anmelderin gehaltenen ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit Serien-Nr. 10/187 547, eingereicht am 1. Juli 2002, wird ein Fahrzeugantriebsystem in einem Zustand gestartet, bei welchem mindestens ein Teil des Brennstoffzellenstapels unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser ist, gestartet, und das gesamte Fahrzeug kann in einer Umgebung sein, welche sich unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser befindet. Es wird im Wesentlichen sämtliches Wasser in den hydrophilen Trägerplatten und in den Reaktantengas-Strömungsfeldern und Kühlmittelkanälen entfernt, was erreicht werden kann gemäß einem Verfahren, das entweder in der US-Patentanmeldung mit Serien-Nr. 09/826 739, einge reicht am 5. April 2001, oder mit Serien-Nr. 09/826 739, eingereicht am 5. April 2001, offenbart ist. Es ist daher wahrscheinlich Eis in der PEM und den Anoden- und Kathodenkatalysatorschichten sowie in den Poren der Wassertransportplatten. Es sollte jedoch bedacht werden, dass die Wassertransportplatten selbst Eis innerhalb der Poren enthalten können, ohne die Wassertransportplatten zu schädigen, wie es bei der PEM der Fall ist. Außerdem folgen die Substrate, welche der PEM ausreichend nahe sind, so dass die Temperatur des Wassers in diese Substrate übertragen wird, sehr nahe der Temperatur der PEM anstatt der Temperatur des Reaktantengases selbst. Daher friert Wasser nicht in den Substraten, auch wenn die Wassertransportplatten Eis in ihren Poren haben.

In der genannten, ebenfalls anhängigen Anmeldung wird ein PEM-Brennstoffzellenstapel bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts mit einem Fahrzeugantriebsystem innerhalb von ein paar Sekunden, oder sobald der Stapel Spannung am offenen Schaltkreis zur Verfügung stellt, verbunden. Der Brennstoffzellenstapel wird mit einer mehr als stöchiometrischen Strömung von Brennstoff und mindestens der drei- bis fünffachen stöchiometrischen Strömung von Oxidationsmittel gestartet, welche bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts sein können, um Betrieb ohne lokalisiertes Erwärmen zu verlängern, was ermöglicht, dass das Fahrzeug während der Zeit verwendet wird, bei welchem die Vorrichtung und Fluide auf geeignete betriebliche Temperaturen erwärmt werden. Dieses System nutzt Reaktanten, welche bei der gleichen Umgebungstemperatur unterhalb des Gefrierpunkts wie der Brennstoffzellenstapel selbst sind, da dies das Eintreten von lokaler Übererwärmung verzögert. In Systemen, in welchen poröse Wassertransportplatten für das Wassermanagement verwendet werden, wird die Zeitdauer, bei welcher das Fahrzeug mit Leistung von dem Brennstoffzellenstapel betrieben werden kann, ohne Kühlmittel zu zirkulieren, bevor es eine unzulässige lokale Übererwärmung innerhalb der Brennstoffzelle gibt, verlängert durch jedes von: Erwärmen des als Eis in den Poren der Wassertransportplatten gespeicherten Wassers durch Erwärmen der Masse des Stapels, Erwärmen dieses Wassers, die Schmelzwärme beim Schmelzen des Eises und Verdunstungskühlung durch einen Teil dieses Wassers. Diese Zeit beträgt in einem typischen Fall ca. 15 bis 20 min.

Beschreibung der Erfindung

Ziele der Erfindung umfassen: Beschleunigen der Verfügbarkeit von Kühlmittelwasser in einem PEM-Brennstoffzellenstapel, welcher gestartet wird, wobei mindestens ein Teil des Stapels sich bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser befindet; Verwenden von Abwärme des Brennstoffzellenprozesses, um gefrorenes Kühlwasser in dem Akkumulator in einer Brennstoffzellenstapelanordnung zu schmelzen; Verwenden von durch den Brennstoffzellenstapel generierter Leistung, um gefrorenes Kühlmittelwasser im Akkumulator des Brennstoffzellenstapels zu schmelzen; Reduzieren der Zeit, welche erforderlich ist, um intern Kühlmittelwasser für einen Brennstoffzellenstapel zur Verfügung zu stellen, welcher aus einem mindestens teilweise gefrorenen Zustand gestartet wird; und Erhöhen der Menge von Leistung, welche aus einem Brennstoffzellenstapel gezogen werden kann, welcher initial aus einem gefrorenen Zustand gestartet wird, ohne lokalisiertes Übererwärmen des Brennstoffzellenstapels.

Diese Erfindung basiert teilweise auf der Entdeckung, dass eine PEM-Brennstoffzellenstapelanordnung innerhalb von ein paar Sekunden nach dem Anfahren ausreichende Leistung entwickeln kann, wenn sie mindestens teilweise gefroren ist, um nicht nur ausreichend Leistung zum Antrieb eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs in einer brauchbaren normalen Weise zur Verfügung zu stellen, sondern auch, um ausreichend Leistung zum Tauen des gefrorenen Kühlmittelwassers in einem Kühlmittelwasserakkumulator der Zellenstapelanordnung zur Verfügung zu stellen. Die Erfindung basiert ferner teilweise auf der Entdeckung, dass die Abwärme des Brennstoffzellenprozesses problemlos extrahiert und auf gefrorenes Kühlmittelwasser in einem Akkumulator übertragen werden kann, um das gefrorene Kühlmittelwasser in dem Akkumulator zu schmelzen, mit oder ohne Unterstützung einer elektrischen Heizung.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird gefrorenes Wasser in einem Kühlmittelwasserakkumulator eines Brennstoffzellenstapels mindestens teilweise ge schmolzen durch Energie, welche durch den Brennstoffzellenstapel selbst in den ersten Minuten nach dem Anfahren erzeugt wird. Ferner erwärmt gemäß der vorliegenden Erfindung eine elektrische Heizung, welche durch den Brennstoffzellenstapel angetrieben wird, innerhalb von Sekunden nach dem Starten das gefrorene Wasser in dem Akkumulator. Ferner wird erfindungsgemäß Wärme zum Schmelzen des gefrorenen Kühlmittelwassers in einem PEM-Brennstoffzellenstapel von Brennstoffzellenabwärme extrahiert, welche im Brennstoffzellenstapel selbst erzeugt wird.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Wärme durch einen kondensierenden Wärmetauscher extrahiert, welcher entweder (a) in das gefrorene Kühlmittel in Wasser in dem Akkumulator eingetaucht ist, wobei der andere Input des kondensierenden Wärmetauschers den Oxidationsmittel-Reaktantenströmungsfeld-Auslass umfasst oder (b) welcher in dem Oxidationsmittel-Reaktantenströmungsfeld-Auslass angeordnet sein kann, wobei der andere Input der Oxidationsmittel-Reaktantenströmungsfeld-Input (z.B. einströmende Luft) ist.

Ferner kann erfindungsgemäß gefrorenes Wasser im Akkumulator eines Brennstoffzellenstapels teilweise geschmolzen werden durch eine relativ kleine elektrische Heizung, wobei Wasser von einer Hilfspumpe zu einem oberen Kühlmittel-Verzweigungssystem (typischerweise das Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem des Brennstoffzellenstapels) bewegt wird und durch den Brennstoffzellenstapel strömen kann, angetrieben von Schwerkraft und/oder Oxidationsmittelströmung, wo es durch die Abwärme des Brennstoffzellenbetriebs beträchtlich erwärmt wird, während Strom an eine Last geliefert wird und welches dann von dem unteren Kühlmittel-Verzweigungssystem (typischerweise der Einlass) zurück zu dem Kühlmittelakkumulator transportiert wird, wo es weiteres gefrorenes Kühlmittel schmilzt.

Weiter kann erfindungsgemäß als Variante des oben Genannten Druck, welcher durch eine Hilfspumpe am oberen Verzweigungssystem eines PEM-Brennstoffzellenstapels zur Verfügung gestellt wird, das flüssige Kühlmittelwasser durch die Poren der Wassertransportplatten hinaus in die Reaktantengas strömungsfelder zwingen, wodurch Befeuchtung für die Membranelektrodenanordnung (MEA) bereitgestellt wird, wobei das flüssige Wasser dann durch die Abwärme des Brennstoffzellenbetriebs erwärmt wird, während Strom an eine Last geliefert wird, und kann von dem Oxidationsmittel-Strömungsfeld-Auslass zurück in den Kühlmittelakkumulator tropfen, wo das erwärmte Kühlmittelwasser zusätzliches Eis schmilzt. Als weitere Variante können kleine Mengen von flüssigem Wasser zyklisch durch Einlassoxidationsmitteldruck in den Kanälen verwendet werden und danach durch die Kühlmittelkanäle durch die Kühlmittelpumpe bewegt werden, falls die Pumpe und die Leitungen vor Einfrieren geschützt sind. Dies ist möglich, da die Kühlmittelkanäle leer sind, da sie wie erwähnt entleert wurden.

Erfindungsgemäß wird ein Multifunktionsverzweigungssystem direkt unter und angrenzend an einen Brennstoffzellenstapel angeordnet, welches als Kühlmittelwasser-Akkumulator dient; und ebenfalls einen Wärmetauscher zum Übertragen von Wärme innerhalb des im Stapel internen Kühlmittelwassers zu externem Kühlmittel, welches durch einen Radiator gepumpt werden kann; optional auch aufweisend eine elektrische Heizung in dem Akkumulator zum Schmelzen von Akkumulator-Eis während Anfahren unterhalb des Gefrierpunkts; und optional ebenfalls aufweisend einen kondensierenden Wärmetauscher, welcher mit dem Oxidationsmittel auf selektierbare Weise interagiert.

Die Erfindung kann externe Energie (elektrische oder thermische) verwenden, um einen Teil des Kühlmittels zu schmelzen, wonach das Kühlmittel durch die Brennstoffzellenabwärme erwärmt wird.

Verschiedene Aspekte der Erfindung können zusammen in Kombination oder separat verwendet werden. Andere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser ersichtlich anhand der folgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, wie in den angefügten Zeichnungen dargestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine teilweise geschnittene Teilperspektivansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels mit zwei Bereichen, welcher eine elektrische Heizung aufweist, die durch den Stapel mit Energie versorgt wird, um Kühlmittelwasser in dem Akkumulator zu schmelzen.
2 ist eine Grafik, welche die Temperatur von Stapel und Akkumulator und Leistung des Stapels bei der Erfindung von 1 unter Verwendung einer Heizung mit 5 kW darstellt.
3 ist eine perspektivische teilweise Schnittansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels mit zwei Bereichen, welcher eine Hilfspumpe verwendet, um geschmolzenes Kühlmittelwasser von dem Akkumulator zu einem oberen Kühlmittelwasser-Verzweigungssystem zu liefern.
4 ist eine perspektivische teilweise Schnittansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels mit zwei Bereichen, welcher eine Hilfspumpe verwendet, um geschmolzenes Kühlmittelwasser von dem Akkumulator zu einem oberen Kühlmittelwasser-Verzweigungssystem zu liefern, und welcher eine Leitung hat, um Kühlmittelwasser von dem Stapel zurück zum Akkumulator zu leiten.
5 ist eine perspektivische teilweise Schnittansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels mit zwei Bereichen, welcher einen kondensierenden Wärmetauscher verwendet, in welchem das Oxidationsmittel-Strömungsfeld-Abgas verwendet wird, um Eis in dem Kühlmittelwasserakkumulator zu schmelzen.
6 ist eine Grafik der Temperaturen des Stapels, Kathodenabgases, Wärmetauschers und Akkumulators zusammen mit der Stapelleistung in Abhängigkeit der Zeit für die Ausführungsform von 6 mit einem Wärmetauscher mit 3000 Btu/h-°F, jedoch ohne Verwendung der elektrischen Heizung.
7 ist eine Grafik der Temperaturen des Stapels, des Kathodenabgases, des Wärmetauschers und des Akkumulators, gemeinsam mit der Stapelleistung in Abhängigkeit der Zeit für die Bedingungen von 7, jedoch ohne 2,5 kW elektrischer Heizung.
8 ist eine Grafik der Temperaturen des Stapels, des Kathodenabgases, des Wärmetauschers und des Akkumulators, gemeinsam mit der Stapelleistung in Abhängigkeit der Zeit für die Bedingungen von 6 mit einem Wärmetauscher mit 900 Btu/h-°F, jedoch ohne Verwendung der elektrischen Heizung.
9 ist eine perspektivische schematische teilweise Schnittansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels mit zwei Bereichen, welcher einen kondensierenden Wärmetauscher verwendet, bei welchem kühle einströmende Luft verwendet wird, um Feuchtigkeit im Oxidationsmittel-Strömungsfeld-Abgas zu kondensieren.
10 ist eine perspektivische teilweise, schematische Schnittansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels mit zwei Bereich, welcher Merkmale von 1, 3 und 5 inkorporiert.
11 ist eine perspektivische teilweise, schematische Schnittansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels, welcher Merkmale von 1, 3 und 9 inkorporiert.
12 ist eine perspektivische teilweise, schematische Schnittansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels mit zwei Bereichen, welcher Merkmale von 1, 4 und 9 inkorporiert.
13 ist eine perspektivische teilweise, schematische Schnittansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels mit zwei Bereichen, bei welchem das Wasser des Akkumulators anfänglich geschmolzen wird in Reaktion auf eine Heizung, welche durch eine Batterie betrieben wird.
14 ist eine perspektivische teilweise, schematische Schnittansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels mit zwei Bereichen, in welchem Wasser anfänglich durch eine erwärmte Glykollösung geschmolzen wird.
15 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Bereichs einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, welche aus dem Stand der Technik bekannt ist.
16 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Bereichs einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung.
Art(en) der Ausführung der Erfindung
Es wird Bezug auf 1 genommen. Eine Brennstoffzellenstapel-Anordnung 19 umfasst zwei Bereiche 20, 21 eines Brennstoffzellenstapels, wobei jeder Bereich eine Mehrzahl von benachbarten Brennstoffzellen aufweist, welche beispielsweise eine Membranelektrodenanordnung (MEA) verwenden, welche eine Protonenaustauschmembran (PEM) eines bekannten Typs verwendet. Die Brennstoffzellenstapel-Anordnung 19 hat ein Brennstoffsystem, welche für die vorliegende Erfindung nicht relevant ist und daher nicht gezeigt ist. Das Brennstoffzellensystem hat typischerweise eine Quelle für Wasserstoff oder einen wasserstoffreichen Brennstoff, welcher ein Brennstoffeinlass-Verzweigungssystem (nicht gezeigt) versorgt, welches mit der Hälfte der Brennstoffströmungsfelder der Anode verbunden ist, eine Brennstoffströmungsumkehr 22, deren Ausstrom durch den Rest der Brennstoffströmungsfelder zu einem Brennstoffauslass-Verzweigungssystem (nicht gezeigt) strömt; das Brennstoffabgas wird typischerweise in ein Brennstoffwiederverwertungssystem irgendeiner bekannten Art eingebracht.
In 1 hat der Bereich 20 ein Einlassverzweigungssystem 23 für Oxidationsmittel-Reaktantengas, z.B. Luft aus einer Quelle, z.B. einer Pumpe 21, ein Luftumkehrverzweigungssystem 24 und ein Luftauslassverzweigungssystem 25. Wie in 1 ersichtlich, strömt Luft aufwärts durch die Kathoden-(Oxidationsmittel)-Strömungsfelder (in 1 rechts) und dann in linker Richtung durch das Umkehrverzweigungssystem 24, abwärts durch die restlichen Oxidationsmittel-Strömungsfelder (in 1 links) und dann durch den Bereich oberhalb des Niveaus 27 von Kühlmittel in einem Kühlmittelakkumulator 28, zum Auslassverzweigungssystem 25. Der Kühlmittelakkumulator hat Röhren 31, welche eine Glykol-Kühlmittellösung aufnehmen, welche durch eine Pumpe 32 vorgetrieben wird, wenn die Brennstoffzelle angefahren wurde und in normalem Betrieb ist; die Glykollösung kann in einem Radiator 33 gekühlt und wie nötig selektiv in einer Kabinenheizung 34 verwendet werden, was bekannt ist und keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet. Wenn jedoch während des Anfahrens mindestens ein Teil der Zellenstapelanordnung 19 bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist, wird die Glykol-Kühlmittellösung nicht durch die Wärmetauscherrohre 31 zirkuliert.
Bei normalem Betrieb oberhalb des Gefrierpunkts wird Wasser im Akkumulator in eine Kühlmittelleitung 36 gezogen, gelangt durch ein Strömungsdrosselventil 37 durch ein Kühlmitteleinlass-Verzweigungssystem 38 und durch Kanäle (nicht gezeigt) in die Brennstoffzellen und tritt aus einem Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem 41 unter Antrieb einer Kühlmittelpumpe 42 durch eine Leitung 43 zu dem Akkumulator 28 aus, wie konventionell bekannt. Jedoch ist die Pumpe 42 während des Anfahrens der Brennstoffzellenstapel-Anordnung 19, wenn mindestens ein Teil dieser unterhalb des Gefrierpunkts ist, abgeschaltet, und das Drosselventil 37 kann, falls erwünscht, vollständig geschlossen sein, so dass es keine Kühlmittelströmung aus dem Akkumulator 28 in das Kühlmitteleinlass-Verzweigungssystem 38 oder von dem Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem 41 durch die Pumpe 42 und Leitung 43 zu dem Akkumulator 28 gibt (mit Ausnahme einer im Folgenden beschriebenen Ausführungsform). In einer Ausführungsform sind die Kühlmittelkanäle in porösen Wassertransportplatten, welche eine poröse Barriere zwischen Wasserkanälen und den Reaktantenströmungsfeldern bilden, wie bekannt. Eine Steuerung 44 reagiert auf verschiedene Bedingungen in der Zellenstapelanordnung 19, einschließlich und insbesondere der Temperatur des Wassers im Akkumulator 28, um verschiedene Funktionen der Zellenstapelanordnung steuern, einschließlich des Ventils 37 und der Pumpen 32, 42.
Die Leitung 36 kann im Akkumulator 28 angeordnet sein; in diesem Fall kann die Drosselung 37 die Gestalt eines Wehrs oder Siebes annehmen, welches nahe dem Einlass der Leitung 36 angeordnet ist, um im Kühlmittel während des normalen Betriebs ein Vakuum zu erzeugen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Widerstandsheizung 45 in den Akkumulator unterhalb des Niveaus 27 des Kühlmittels (Eis und/oder Wasser) eingetaucht. Die Heizung 45 muss nicht in dem Kühlmittel eingetaucht sein; sie kann in oder auf den Wänden des Akkumulators sein. Die Heizung 45 ist durch einen Schalter 46 und einen Leiter 47 mit einem elektrischen Output 48 des Brennstoffzellenstapels 19 verbunden. Das andere Ende der Heizung 45 ist durch einen Leiter 51 mit dem anderen elektrischen Output (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenstapels 19 verbunden. Beim Anfahren des Brennstoffzellenstapels, wenn ein Teil davon gefroren ist oder sein kann, kann die Steuerung 44 den Schalter 46 schließen, um Elektrizität an die Heizung 45 zu liefern, welche, damit beginnt, jegliches Eis in dem Akkumulator zu schmelzen. Wie in 2 dargestellt, werden 12 kg (26 pounds) Eis im Akkumulator in ca. 15 min geschmolzen, falls die Heizung 45 bei 5 kW arbeitet, was für ein typisches Brennstoffzellensystem, welches ein elektrisches Fahrzeug antreibt und eine 90 kW-Leistung haben kann, annehmbar ist. In der erwähnten Anmeldung mit Serien-Nr. 10/187 457 ist ersichtlich, dass der Brennstoffzellenstapel 19 für mindestens 15 min ohne Kühlmittelwasser ohne lokalisierte Übererwärmung arbeiten kann; zu diesem Zeitpunkt kann das Ventil 37 in die Position gebracht werden, um geeignete Drosselung zu ermöglichen, um die entsprechende negative Druckdifferenz bezüglich der Reaktantengasdrücke zu erzeugen, und die Pumpe 42 kann gestartet werden, um zu bewirken, dass das Kühlmittel von dem Akkumulator 28 durch die Leitung 36 und das Ventil 37, in das Kühlmitteleinlass-Verzweigungssystem 38, durch den Zellenstapel, aus dem Auslassverzweigungssystem 41, durch die Pumpe und dann wieder zu dem Akkumulator 28 zirkuliert. Dies geschieht unter Steuerung der Steuerung 44, welche auf einen Temperatursensor (aus Gründen der Klarheit nicht gezeigt) im Akkumulator reagieren kann, oder auf eine andere Weise. Daher kann das Akkumulator-Kühlmittel vollständig geschmolzen werden durch elektrische Leistung, welche durch die Brennstoffzelle erzeugt wird.
Anstatt eine Heizung zu verwenden, um sämtliches Wasser im Akkumulator zu schmelzen, kann die in 1 dargestellte Vorrichtung auf eine andere Weise verwendet werden. Die Heizung kann sehr klein sein, in der Größenordnung von 1 bis 2 kW, und das Ventil 37 kann durch die Steuerung eingestellt werden, damit es vollständig geöffnet ist, wenn Reaktantengase anfänglich in den Stapel gebracht werden. Unter diesen Umständen zwingt der Druck der Luft, welche den Stapel in den Raum oberhalb des Akkumulators verlässt, welcher in der Größenordnung von 7 bis 15 kPa (1 bis 2 pounds) oberhalb des Atmosphärendrucks sein kann, Wasser, welches durch die Heizung geschmolzen wurde, aufwärts durch das Ventil 37 und in die anfänglich leeren Kühlmittel-Strömungskanäle in dem Stapel. Die Heizung 45 kann angeordnet werden, um das Eis bis zu dem Niveau 27 des Kühlmittels zu schmelzen, um zu gewährleisten, dass der Druck des Oxidationsmittel-Reaktantengases auf das Wasser am Boden des Akkumulators 28 wirkt. Das Wasser nahe dem Gefrierpunkt, welches in den Stapel strömt, wird durch Abwärme innerhalb des Stapels beträchtlich erwärmt, während das Wasser in normaler Richtung in den Kühlmittelkanälen strömt.
In einem Modus des Betriebs dieses Aspekts der Erfindung fließt Kühlmittel, während das Niveau von Kühlmittel im Stapel graduell nach oben steigt, schließlich aus dem Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem 41 in die Rückführungsschleife, und erreicht die Pumpe 42. zu diesem Zeitpunkt kann die Pumpe 42 angeschaltet werden und pumpt daher eine beträchtliche Menge an warmem Wasser zurück zu dem Akkumulator, um weiteres Eis in dem Akkumulator zu schmelzen. Dieser Modus ist am effektivsten, wenn die Menge an in dem Akkumulator gespeicherten Wasser, wenn der Stapel abgelaufen ist, beträchtlich größer als die Menge von Wasser ist, die notwendig ist, um den Rest des Kühlmittelsystems zu füllen. Diese Prozedur kann fortgesetzt werden, bis ausreichend Wasser geschmolzen wurde, so dass die Kühlmittelkanäle vollständig gefüllt sind, und Wasser verlässt das Auslassverzweigungssystem 41 und erreicht die Pumpe 42, worauf die Steuerung 44 die Pumpe starten kann und eine normale Kühlmittelströmung durch das System erzeugen kann. Das kann jedoch zu viel Zeit in Anspruch nehmen.
Ein weiteres Verfahren, diesen Aspekt der Erfindung zu verwenden, besteht darin, den Druck des Oxidationsmittel-Reaktantengases (der Luft) während der ersten Minuten periodisch zu reduzieren, nachdem Reaktantengase in der Brennstoffzelle verwendet wurden. In diesem Modus strömt Wasser aufwärts durch die Leitung 36, das Ventil 37 und in das Kühlmitteleinlass-Verzweigungssystem, wo es erwärmt wird. Das wird das zur Verfügung stehende geschmolzene Kühlmittel erwärmen. Wenn der Druck reduziert wird (z.B. durch zeitweises Abschalten des Luftgebläses) wird die kleine Menge an Wasser zurück in den Akkumulator strömen, und die beträchtlich spürbare Wärme darin wird beträchtlich größere Mengen an Kühlmittel schmelzen. Dieses Verfahren kann mehrmals in den ersten Minuten wiederholt werden, wodurch das Schmelzen des Eises durch Übertragen von im Stapel erzeugter Wärme zum Kühlmittel im Akkumulator verbessert wird. Daher kann das Akkumulator-Kühlmittel lediglich teilweise durch elektrische Energie geschmolzen werden, welche durch den Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, und zusätzlich durch Wasser, welches in den Kühlmittelkanälen des Stapels erwärmt wurde.
Um zu ermöglichen, dass Wasser durch die Kühlmittelkanäle des Stapels aufsteigt, kann ein selektiv betreibbares Ventil 40 in der Nähe des Kühlmittelauslass-Verzweigungssystems 41 vorgesehen sein. Dieses kann die Form eines Absperrventils annehmen, das nach außen gerichteter Druck nur auftritt, während Wasser langsam durch die Kühlmittelkanäle aufsteigt; sobald die Pumpe gestartet wird und das Ventil 37 als Drosselung eingestellt wird, wird das Kühlmittel bei einem geringeren Druck als die Umgebung sein, und daher wird das Ventil geschlossen bleiben. Andererseits kann ein elektrisch verstellbares Ventil durch die Steuerung 44 betrieben werden, falls erwünscht.
Wie bekannt, muss der Stapel 20 zwischen der Pumpe 42 und der Drosselung 37 sein, um Kühlmittel unterhalb Umgebungsdruck während normalem Betrieb zu ermöglichen.
Falls gewünscht und falls die Pumpe und Leitungen vor dem Frieren geschützt sind, kann der Prozess des Kühlmittel-Schmelzens in der Heizung 45 verbessert werden durch Verwendung der Pumpe 42 zum Zirkulieren des jeweils ge schmolzenen Wassers in den Stapel, damit es viel wärmer wird, um zusätzliches Kühlmittel bei dessen Rückkehr in den Akkumulator zu schmelzen. Das Wesentliche ist die Nutzung von Energie, elektrische, thermische oder beide, welche durch die Brennstoffzellen erzeugt wird, um in den ersten Minuten das Kühlmittel zu schmelzen.
Es wird auf 3 Bezug genommen. Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendet eine kleine Hilfspumpe 54, um Wasser durch eine Leitung 55 vom Boden des Akkumulators 28 zu ziehen und es über die Leitungen 57, 58 zu jedem Bereich 20, 21 des Brennstoffzellenstapels 19 zu bringen. Die Leitung 57 leitet das geschmolzene Wasser rückwärts von dem Reservoir zu dem Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem 41 (es ist zu bedenken, dass die Pumpe 42 abgeschaltet ist). Die Heizung 45 kann Wasser innerhalb und außerhalb der Leitung 55 schmelzen, so das Wasser durch die Leitung strömen kann. Danach ist der durch die Pumpe 54 erzeugte Druck größer als der Druck der Reaktantengase (der Brennstoff und das Oxidationsmittel), so dass auf das Auslassverzweigungssystem 41 angewendetes Wasser durch die porösen Wassertransportplatten in jeder Brennstoffzelle heraus gezwungen wird, wodurch Wasser in die Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfelder eintritt. Dieses Wasser wird entlang der Strömung von Oxidationsmittel-Reaktantengas mitgeschleppt und tropft in den Bereich 60 oberhalb des Niveaus 27 von Eis/Wasser im Reservoir 28 und neigt dazu, zusätzliches Eis im Akkumulator 28 zu schmelzen. Es wird angemerkt, dass geschmolzenes und durch die Hilfspumpe 54 zu den Kühlmittelkanälen transportiertes Wasser knapp über 0°C (32°F) ist; nach dem Strömen durch den Brennstoffzellenstapel 19 ist es wesentlich wärmer, z.B. in der Größenordnung von ca. 15 bis 60°C (ca. 100°F bis 140°F). Daher gibt es beträchtliches Schmelzen oben an dem Akkumulator in Folge dieses warmen Wassers, welches vom Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfeld eintropft. Die Abwärme der Brennstoffzelle entsteht, sobald Reaktantengase zu der Brennstoffzelle geliefert werden, und eine Last, z.B. ein Fahrzeugantriebsystem, über dem Brennstoffzellen-Output 41, 47 verbunden wird. Das warme Wasser, welches in das Oxidationsmittel-Strömungsfeld einströmt und durch die Luftströmung getragen wird, ist ausreichend, um das Eis in einem typischen Akkumulator einer PEM-Brennstoffzelle in einem Fahrzeug in ca. 15 min zu schmelzen. Wie bereits beschrieben, ist das ausreichend, um zu gewährleisten, dass flüssiges Wasser zur Verfügung steht, wenn sich der Brennstoffzellenstapel bis zu einem Punkt erwärmt hat, bei welchem Kühlung notwendig ist, um Schäden aufgrund lokalisierter Erwärmung zu verhindern.
Eine Variation der Vorrichtung von 3 ist in 4 dargestellt. Die Hilfspumpe 54 bringt flüssiges Wasser zu dem oberen (Auslass-) Kühlmittel-Verzweigungssystem 41, aber anstatt sich nur auf das Ausströmen von Wasser durch die Wassertransportplatten und in die Oxidationsmittel-Strömungsfelder zu verlassen, kann Wasser auch durch die Wasserkanäle zu dem Kühlmitteleinlass-Verzweigungssystem 38 strömen. Dann bringt eine Leitung 61 Wasser zurück zu dem Raum 60 über dem Niveau 27 von Eis/Wasser, vorausgesetzt, dass das Ventil 62 geöffnet ist. Daher fließt ein Teil des Wassers einfach rückwärts durch die Kühlmittelkanäle in jeder Brennstoffzelle und wird durch die Leitung 61 zu dem Akkumulator 28 zurückgeführt. Dieses Wasser wird in der gleichen Weise erwärmt, zu einem etwas geringeren Grad, durch die Abwärme des Brennstoffzellen-Verfahrens, welche dadurch genutzt wird, das Eis im Akkumulator beim Anfahren zu schmelzen.
Falls der durch die Pumpe 54 aufrechterhaltene Druck ausreichend ist, um Wasser aus den Wassertransportplatten zu zwingen, kann Wasser offensichtlich sowohl im Oxidationsmittel-Reaktantenkanal und in der Leitung 61 strömen. In jedem Fall wird Wasser im Wesentlichen auf die beschriebenen Temperaturen erwärmt und trägt somit beträchtlich zum Schmelzen des Eises im Akkumulator 28 bei.
Falls in einer der Ausführungsformen erwünscht, z.B. wenn Kühlmittelkanäle nicht in porösen Platten sind, kann der Druck der Pumpe 54 geringer als der Druck sein, welcher nötig ist, um Wasser in die Gasströmungsfelder zu zwingen, wobei man sich nur auf die Kühlmittelkanäle verlässt, um das Wasser zu erwärmen. Alternativ kann die normale Kühlmittelpumpe verwendet werden, um eine kleine Menge Wasser durch den Stapel zum Erwärmen des Wassers zu pumpen, wie bezüglich der 13 und 14 im Folgenden beschrieben, vo rausgesetzt, dass die Leitungen vor Einfrieren wie bereits beschrieben geschützt sind.
In 5 verwendet ein weiterer Aspekt der Erfindung einen kondensierenden Wärmetauscher 65, welcher eine Mehrzahl von im Akkumulator 66 angeordneten Rohren aufweist, dessen Eingang 67 in Fluidverbindung mit dem Oxidationsmittel-Strömungsfeld-Auslass ist. Da der Wärmetauscher gekühlt wird durch In-Kontakt-Sein mit entweder Eis oder Wasser bei einer Temperatur von nahezu 0°, wird nicht nur die spürbare Wärme des Oxidationsmittel-Strömungsfeld-Abgases die Temperatur des Mediums in dem Akkumulator erhöhen, sondern auch beträchtliche vom Produktwasser stammende Feuchtigkeit im Oxidationsmittel-Strömungsfeld-Abgas wird kondensiert, was zu einer latenten Kondensationswärme führt, welche durch die Wärmetauscherwände zu dem benachbarten Eis oder Wasser übertragen wird.
Für einen Wärmetauscher 65 mit einer Kapazität von 300 Btu00/h-°F ohne Unterstützung einer elektrischen Heizung (z.B. elektrische Heizung 45) ist in 6 ersichtlich, dass die Temperatur dem Wärmetauscher (HX TEMP.) benachbart in etwa 4½ min über dem Gefrierpunkt liegt. Die Folge ist, dass die Temperatur im Akkumulator in etwa 13½ min über dem Gefrierpunkt liegt (6). Daher steht Wasser zur Befeuchtung und Kühlung in weniger als 15 min bei Verwendung eines solchen Kondensators zur Verfügung.
In 7 sind Ergebnisse gezeigt, wenn eine kleine elektrische Heizung 45, z.B. mit 2,5 kW, in Verbindung mit dem kondensierenden Wärmetauscher 65 verwendet wird, welcher in 6 aufgezeichnet ist. Es ist ersichtlich, dass die Wärmetauschertemperatur in nur ca. 3 min über null und die Akkumulatortemperatur in ca. 13 min über den Gefrierpunkt ansteigt.
Wie in 8 ersichtlich, gelangt der Wärmetauscher für einen großen Wärmetauscher 65 mit einer 900 Btu/h-°F-Kapazität ohne Verwendung einer elektrischen Heizung in weniger als 3 min über den Gefrierpunkt und die Akkumulatortemperatur steigt in etwas mehr als 6 min über den Gefrierpunkt.
Erfindungsgemäß kann ein kondensierender Wärmetauscher verwendet werden, um die Brennstoffzellen-Abwärme während eines Anfahrens im eingefrorenen Zustand zu nutzen, um Eis in dem Kühlmittelwasserakkumulator auf eine in 9 gezeigte Weise zu schmelzen. Dabei umfasst ein kondensierender Wärmetauscher 70 eine Mehrzahl von Rohren 71, welche in einer Kammer 72 aufgehängt sind, welche in Fluidverbindung mit einer Lufteinlassleitung 75 sind, welche in einer Luftauslassleitung 76 angeordnet ist. Die Kammer 72 hat Passagen 73, welche ermöglichen, dass kondensierte Feuchtigkeit abwärts in den Kühlmittelwasserakkumulator 28 fließt. Die einströmende Luft ist in einer Umgebung unterhalb des Gefrierpunkts sehr kalt, was Kondensation an den externen Flächen der Rohre 71 von warmer Feuchtigkeit innerhalb des Oxidationsmittel-(Luft-)Strömungsfeldabgases verursacht, welcher in die Kammer 72 einströmt. Aufgrund der großen Temperaturdifferenz zwischen der einströmenden Luft, welche in der Größenordnung von –20°C bis 10°C (4°F bis 50°F) sein kann, und der warmen die Kathodenströmungsfelder verlassenden Luft, welche rasch von etwa dem Gefrierpunkt bis zu fast 80°C (175°F) ansteigt, gibt es beträchtliche Kondensation, welche beträchtliche Wassermengen bei Temperaturen von 20°C bis 60°C (ca. 68°F bis 140°F) zur Verfügung stellt, welche beträchtliche Mengen an Wasser in den ca. ersten 10 min des Brennstoffzellenbetriebs nach Anfahren in gefrorenem Zustand schmilzt.
Die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung können allein oder gemeinsam mit anderen Aspekten der vorliegenden Erfindung verwendet werden. 10 zeigt, dass die Heizung 45 von 1 in Kombination mit der Leitung 55, Hilfspumpe 54, Leitungen 57 und 58 und mit dem Wärmetauscher 65 verwendet werden kann. Die Heizung schmilzt eine kleine Menge an Wasser, und dieses Wasser wird zu dem oberen Kühlmittel-Verzweigungssystem 41 gepumpt, so dass Wasser durch Pumpendruck durch die Wassertransportplatten hinaus in die Oxidationsmittel-Strömungsfelder gezwungen wird, wobei das Wasser danach in den Raum oberhalb des Niveaus 27 von Kühlmittel in dem Akkumulator 28 tropft; gleichzeitig erwärmt die warme, feuchte Ausströmung von den Oxidationsmittel-Strömungsfeldern durch den Wärmetauscher 65 das Eis (oder das nahezu bei Gefrierpunkt befindliche Wasser), welches diesem benachbart ist, beides infolge der spürbaren Wärme und la tenten Wärme der Kondensierung. Die Heizung 45 kann klein sein (z.B. 1 kW bis 2 kW), um nur ein wenig Wasser zum Beginnen der Strömung durch die Hilfspumpe 54 zu schmelzen, oder sie kann größer sein (z.B. 2,5 kW bis 5 kW), um signifikantes Schmelzen des Kühlmittels zu ermöglichen.
In ähnlicher Weise stellt 11 dar, dass die Heizung 45, die Leitungen 55, 57 und 58 und die Pumpe 54, welche geschmolzenes Akkumulator-Wasser an ein oberes Kühlmittel-Verzweigungssystem 41 liefert, kombiniert werden können mit dem kondensierenden Wärmetauscher 70 von 9. Dies führt dazu, dass Feuchtigkeit von den Oxidationsmittel-Strömungsfeldern in den Bereich des Wärmetauschers 70 tropft, wie auch, dass Feuchtigkeit aus dem warmen, feuchten Kathodenabgas durch den Wärmetauscher 70 kondensiert wird, so dass signifikante Wassermengen zur Verfügung gestellt werden, um durch die Passagen 73 zu tropfen, um somit zusätzliches Eis in dem Akkumulator 28 zu schmelzen.
12 zeigt, dass die Kombination von 11 damit kombiniert die Leitung 61 aufweisen kann, um durch die Kühlmittelkanäle strömendes warmes Wasser zur Verfügung zu stellen von dem unteren Kühlmittelkanal-Verzweigungssystem 38 in den Akkumulator 28, oberhalb des Niveaus 27 des darin befindlichen Kühlmittels.
Alle bisher genannten Ausführungsformen benutzen ausschließlich aus dem Stapel stammende Energie, um Kühlmittelwasser zu schmelzen und warmes Wasser zu schmelzen. Die Erfindung umfasst jedoch die Nutzung von Energie des Stapels, um das Kühlmittel in dem Akkumulator zu wärmen; die Erfindung kann in hybrider Weise verwendet werden, wobei eine anfänglich kleine Menge Wasser mit Energie geschmolzen wird, welche nicht durch den Stapel geliefert wird, wonach der Stapel das geschmolzene Wasser wie beschrieben erwärmt. Somit kann Übertragung von direkt aus dem Stapel stammender Energie zum Schmelzen von Eis im Akkumulator mit oder ohne Unterstützung von externer Energie erfolgen.
Ein Beispiel eines Hybridsystems ist in 13 dargestellt. Dabei wird die Heizung 45 nicht durch die von dem Stapel erzeugte elektrische Leistung betrieben, sondern stattdessen durch eine Batterie 80. Natürlich können Schaltungen vorgesehen sein, um die Batterie 80 mit durch den Stapel erzeugter elektrischer Energie aufzuladen, nachdem der Stapel normalen Betrieb aufgenommen hat.
Ein weiteres Beispiel ist in 14 dargestellt. Darin gibt es keine elektrische Heizung, und das anfängliche Schmelzen von Wasser wird durch eine Start-Heizung 83 erreicht, welche angeschlossen werden kann, indem die Steuerung 44 ein Ventil 85 öffnet und ein Ventil 86 schließt. Die Start-Heizung kann eine Flamme oder katalytische Verbrennung von Brennstoff, z.B. Brennstoffzellenbrennstoff, einschließlich Wasserstoff und Reformat, nutzen, je nachdem, was zur Verfügung steht. Von der Heizung 83 wird eine erwärmte Wasser/Frostschutzlösung, z.B. eine wässrige Glykollösung, durch die Pumpe 32 zum Strömen durch die Rohre 31 gebracht (welche normalerweise zum Kühlen des Brennstoffzellenkühlmittels verwendet werden) und zurück zu den Ventilen 85, 86.
Sobald eine kleine Wassermenge geschmolzen ist, kann sie durch Oxidationsmittel-Reaktantengasdruck vom Boden des Akkumulators 28 durch die Leitung 36 und das Ventil 37 in das Kühlmitteleinlass-Verzweigungssystem 38 hochgedrückt werden und durch die Kühlmittelkanäle des Stapels, wie oben bezüglich 1 beschrieben. Da die Kühlmittelkanäle während des vorherigen Abschaltens des Brennstoffzellenstapels sorgfältig entleert wurden, gibt es keine Verstopfung durch Eis, so dass Wasser, sobald es geschmolzen ist, kontinuierlich aufwärts durch die Brennstoffzellenkühlmittelkanäle steigen kann, bis es das Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem 41 erreicht. Dann fließt es zu der Pumpe 42, welche durch die Steuerung angeschaltet werden kann. Wie bereits beschrieben, kann ein selektiv betreibbares Ventil 40 (1) in der Nähe des Kühlmittelauslass-Verzweigungssystems 41 erforderlich sein, um zu ermöglichen, dass Luft aus dem System gelangen kann, wenn es mit Kühlmittelwasser gefüllt wird.
Sobald eine kleine Menge Wasser geschmolzen ist, kann sie hochgesogen werden (3) von dem Akkumulator 28 durch die Leitung 55 über die Pumpe 54 und dann über die Leitung 57 zu dem oberen Kühlmittel-Verzweigungssystem 41, wie bereits beschrieben.
Sobald es in dem Stapel ist, wird Wasser bei nahezu Gefriertemperatur beträchtlich erwärmt. Daher kann der Prozess des Schmelzens mit externer Energie begonnen werden und mit Brennstoffzellenprozess-Abwärme vom Stapel beendet werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung, welcher in 1, 3, 4 und 9 bis 14 dargestellt ist, ist in 15 und 16 verdeutlicht. In 15 umfasst ein Bereich einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage eine Zellenstapelanordnung 19, welche wiederum einen Stapel 20 von benachbarten Brennstoffzellen, Brennstoffeinlass- und -auslass-Verzweigungssystem 90, 91, Einlass- und Auslass-Verzweigungssystem 23, 25 und Kühlmitteleinlass- und -auslass-Verzweigungssystem 38, 41 aufweist. Außerhalb der Zellenstapelanordnung 19 ist eine Kühlmittelpumpe 42 und eine Leitung, welche zu einem Akkumulator 94 führt, in welchem Wasser verdrängt werden kann vor Abschalten der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bei Bedingungen unterhalb des Gefrierpunkts. ebenfalls außerhalb der Zellenstapelanordnung 19 ist ein Glykol-Wasser-Wärmetauscher, in welchem aus Wasser Kühlmittel aus dem Akkumulator 94 Wärme durch Wärmetausch mit glykolhaltigem (oder einem anderen Frostschutz enthaltenden) externen Kühlmittel ausgetauscht wird durch Übertragung zwischen Wärmetauscher 96 und einem Radiator 33 (wo Abwärme abgegeben wird) durch eine Pumpe 32. Das Kühlmittel Wasser wird dann zu dem Stapel durch eine Drosselung 37 zurückgeführt, welches einen Kühlmittelunterdruck erzeugt, d.h. es bewirkt, dass der Kühlmitteldruck unterhalb des Umgebungsdrucks ist, um die korrekte Druckdifferenz zwischen den Reaktanten und dem Kühlmittel zu schaffen, wie bekannt.
Gemäß der wie in 16 gezeigten Erfindung dient ein Mehrzweck-Verzweigungssystem 98 als Akkumulator 28 und ist in Fluidverbindung mit entweder dem Lufteinlass oder dem Luftauslass. In 16 ist der Akkumulator in Fluid verbindung mit dem Lufteinlass. In den meisten der vorangehenden Ausführungsformen ist der Akkumulator 28 in Fluidverbindung mit dem Luftauslass. Zusätzlich ist der Glykol/Wasser-Wärmetauscher 31 ein Teil des Akkumulators. Das Multifunktions-Verzweigungssystem ist dem Stapel benachbart und unterhalb des Stapels 20 angeordnet, um problemlos in Fluidverbindung mit mindestens einigen Bereichen des Stapels 20 zu sein. In 16 nicht gezeigt, aber in allen vorherigen Ausführungsformen bis auf 14 dargestellt, kann die elektrische Heizung 45 auch in dem Akkumulator innerhalb des Multifunktions-Verzweigungssystem 98 angeordnet sein.
Aspekte der in 16 dargestellten Erfindung können natürlich vorteilhaft mit anderen Aspekten der Erfindung, welche in vorangehenden Ausführungsformen beschrieben wurden, verwendet werden, können aber in anderen Ausführungsformen ebenfalls vorteilhaft genutzt werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein PEM-Brennstoffzellensystem (19) hat ein Multifunktion-Oxidationsmittel-Verzweigungssystem (98), welches angrenzend unter einem Brennstoffzellenstapel (20) angeordnet ist und als Kühlmittelakkumulator dient. Eine elektrische Heizung (45) wird durch die Abgabe elektrischer Leistung der Brennstoffzelle (47, 51) während eines Anfahrens unter dem Gefrierpunkt angetrieben. Eine Hilfspumpe (54) und Leitungen (55, 57, 58) zwingen Wasser (28) über dem Oxidationsmitteldruck in ein oberes Kühlmittel-Verzweigungssystem (41), in die Oxidationsmittel-Strömungsfelder, zum Aufwärmen vor dem Strömen vom Oxidationsmittelauslass zum Akkumulator, um weiteres Eis zu schmelzen. Alternativ wird geschmolzenes Kühlmittel durch Oxidationsmitteldruck in Kühlmittelkanäle zum Erwärmen gezwungen. Eine Leitung 61 leitet Kühlmittel von den Kühlmittelströmungsfeldern zu dem Akkumulator. Ein kondensierender Wärmetauscher (65), eingetaucht in das Akkumulator-Kühlmittel, nimmt Oxidationsmittelabgas auf. Ein kondensierender Wärmetauscher (70) hat einen Kaltlufteinlass (75) und einen Auslass für warmes, feuchtes Oxidationsmittel (72) auf entgegengesetzten Seiten, wobei Flüssigkeit in den Akkumulator kondensiert wird. Schmelzen des Kühlmittels kann durch eine Heizung (45) begonnen werden, welche durch eine Batterie (80) betrieben wird, oder durch Zirkulieren von externem erwärmten Glykol (83).

Claims

Verfahren zum Anfahren eines Brennstoffzellensystems, wenn zumindest ein Teil des Systems bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist, wobei das System einen Kühlmittelakkumulator und einen Stapel (19) benachbarter Brennstoffzellen mit (a) Kühlmittel-Strömungskanälen in Fluidverbindung mit dem Akkumulator und mit (b) Brennstoff- und Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfeldern hat, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: Übertragen von direkt von den Brennstoffzellen stammender Energie zu dem Kühlmittel in dem Akkumulator, um so Eis in dem Akkumulator zu schmelzen, wobei der Schritt des Übertragens von Energie gewählt ist von einem oder mehreren von: (c) Anwenden (44, 46) von elektrischer Leistung (47, 41), wenn diese von den Brennstoffzellen erzeugt wird, auf eine elektrische Heizung (45), die in thermischer Verbindung mit dem Kühlmittel (27) in dem Akkumulator (28) ist, und (d) Übertragen auf das Kühlmittel in dem Akkumulator von Abwärme, wenn diese von den Brennstoffzellen erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Übertragens aufweist: Anwenden (44, 46) von elektrischer Leistung (47, 51), welche durch das Brennstoffzellensystem erzeugt wird, auf eine Widerstandsheizung (45), welche in thermischer Verbindung mit dem Kühlmittel (27) in dem Akkumulator (28) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Übertragens aufweist: Anwenden (44, 46) von elektrischer Leistung (47, 51), welche durch das Brennstoffzellensystem erzeugt wird, auf eine Widerstandsheizung (45), welche in dem Kühlmittel (27) in dem Akkumulator (28) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Übertragens aufweist: Übertragen von Wärme in den Oxidationsmittel-Strömungsfeldern auf das Kühlmittel (27) in dem Akkumulator (28).
Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem der Schritt des Übertragens von Wärme aufweist: Leiten von Wasser (54, 55, 57) von den Kühlmittel-Strömungskanälen (41) in die Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfelder und dann in den Akkumulator (28), um so Abwärme von den Brennstoffzellen zu dem Wasser zu übertragen, welches die Wärme zu dem Akkumulator transportiert.
Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem der Schritt des Leitens von Wasser aufweist: Erwärmen (45) eines Teils des Kühlmittels (27) in dem Akkumulator (28), um Wasser zur Verfügung zu stellen; und Pumpen (54, 55, 57) des Wassers unter höherem Druck als der Druck in den Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfeldern in (41) die Kühlmittel-Strömungskanäle.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Pumpens aufweist: Pumpen (54, 55, 57) von Wasser in ein Kühlmittel-Verzweigungssystem (41), welches mit den Kühlmittel-Strömungskanälen verbunden ist, wobei das Verzweigungssystem höher als der Akkumulator (28) ist, wodurch Wasser mittels Schwerkraft zu dem Akkumulator fließen kann.
Verfahren nach Anspruch 7 zum Anfahren eines Brennstoffzellensystems, bei welchem die Kühlmittel-Strömungskanäle sich zwischen einem oberen Kühlmittel-Verzweigungssystem (41) und einem unteren Kühlmittel-Verzweigungssystem (38) erstrecken, welches niedriger als das obere Kühlmittel-Verzweigungssystem ist, und wobei der Schritt des Pumpens außerdem aufweist: Strömen-Lassen (36, 37) von Wasser in den Akkumulator aus den Kühlmittel-Strömungskanälen durch das untere Kühlmittel-Verzweigungssystem.
Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem der Schritt des Anwendens von Wärme aufweist: Strömen-Lassen (25) von Abgas von dem Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfeld durch einen Wärmetauscher (65), welcher unterhalb des Kühlmittelniveaus (27) in dem Akkumulator (28) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem der Schritt des Anwendens von Wärme aufweist: Strömen-Lassen von Einlassoxidationsmittel-Reaktantengas (75) aus einer Quelle durch Passagen in einem Wärmetauscher (70), welcher in einem Raum (72) über und in Fluidverbindung mit dem Akkumulator (28) angeordnet ist; und Strömen-Lassen von Abgas von dem Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfeld durch den Raum, wobei das Einlass-Oxidationsmittel-Re aktantengas somit den Wärmetauscher kühlt und Wasser aus dem Oxidationsmittel-Reaktantengas Abgas kondensiert, wobei das kondensierte Wasser dann in den Akkumulator strömt, um darin Kühlmittel zu schmelzen.
Verfahren nach Anspruch 1 zum Anfahren eines Brennstoffzellensystems, bei welchem die Kühlmittel-Strömungskanäle sich zwischen einem oberen Kühlmittel-Verzweigungssystem (41) und einem unteren Kühlmittel-Verzweigungssystem (38) erstrecken, welches niedriger als das obere Kühlmittel-Verzweigungssystem ist, und wobei der Schritt des Übertragens aufweist: Erwärmen (45) eines Teils des Kühlmittels 27 in dem Akkumulator 28, um Wasser zur Verfügung zu stellen; Pumpen (54, 52, 57) des Wassers zu dem oberen Kühlmittel-Verzweigungssystem; und Strömen-Lassen (36, 37) von Wasser in den Akkumulator (28) aus den Kühlmittel-Strömungskanälen durch das untere Kühlmittel-Verzweigungssystem.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem der Schritt des Erwärmens aufweist: Anwenden (46) von elektrischer Leistung (47, 51), welche durch das Brennstoffzellensystem erzeugt wird, auf eine Widerstandsheizung (45), welche in thermischer Verbindung mit dem Kühlmittel (27) in dem Akkumulator (28) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem der Schritt des Erwärmens aufweist: Anwenden (46) von elektrischer Leistung von einer Batterie (80) auf eine Widerstandsheizung (45), welche in thermischer Verbindung mit dem Kühlmittel (27) in dem Akkumulator (28) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem der Schritt des Erwärmens aufweist: Strömen-Lassen (32) einer erwärmten Lösung (83) von Frostschutzmittel und Wasser durch einen Wärmetauscher (31) in thermischer Verbindung mit dem Kühlmittel (27).
Verfahren nach Anspruch 1 zum Starten eines Brennstoffzellensystems, bei welchem Kühlmittel-Strömungskanäle sich von einem unteren Verzweigungssystem (38) zu einem oberen Verzweigungssystem (41) erstrecken, wobei die Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfelder bei einem Druck über dem Atmosphärendruck sind und in Fluidverbindung mit dem Akkumulator (28) sind, wobei der Schritt des Übertragens aufweist: Erwärmen (45) eines Teils des Kühlmittels (27) in dem Akkumulator (28), um eine kleine Menge Wasser zu schmelzen; und Entlüften (40) des Kühlmittelauslass-Verzweigungssystems (41) in die Atmosphäre, wobei der Druck der Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfelder das geschmolzene Wasser (36, 37) in die Kühlmittelkanäle zwingt, so dass geschmolzenes Wasser in dem Stapel erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, außerdem aufweisend: Reduzieren des Drucks in den Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfeldern, so dass das erwärmte geschmolzene Wasser in den Akkumulator (28) zurück fließt (36, 37, 38), wodurch zusätzliches Wasser in dem Akkumulator geschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 16, außerdem aufweisend: Wiederherstellen des Drucks in den Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfeldern, so dass weiteres Schmelzwasser aus den Kühlmittel-Strömungskanälen gezwungen wird (36, 37, 38), um erwärmt zu werden; und Reduzieren des Drucks in den Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfeldern, so dass erwärmtes Wasser zurück in den Akkumulator fließt (36, 37, 38), wodurch weiteres Wasser in dem Akkumulator geschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 15, außerdem aufweisend: Zirkulieren von Kühlmittel von dem Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem (41) zu dem Akkumulator (28) durch eine Pumpe (42).
Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem der Schritt des Erwärmens aufweist: Anwenden (46) von elektrischer Leistung (47, 51), welche durch das Brennstoffzellensystem erzeugt wird, auf eine Widerstandsheizung (45), welche in thermischer Verbindung mit dem Kühlmittel (27) in dem Akkumulator (28) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem der Schritt des Erwärmens aufweist: Anwenden (46) von elektrischer Leistung von einer Batterie (80) auf eine Widerstandsheizung (45), welche in thermischer Verbindung mit dem Kühlmittel (27) in dem Akkumulator (28) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem der Schritt des Erwärmens aufweist: Strömen-Lassen (32) einer erwärmten (83) Lösung von Frostschutzmittel und Wasser durch einen Wärmetauscher (31) in thermischer Verbindung mit dem Kühlmittel (27).
Verfahren nach Anspruch 1 zum Starten eines Brennstoffzellensystems, bei welchem sich Kühlmittel-Strömungskanäle (60) zwischen Kühlmitteleinlass- (38) und -auslass- (41) Verzweigungssystemen erstrecken, wobei der Schritt des Übertragens aufweist: Schmelzen von Kühlmittel (27) mit der Heizung (45) in dem Akkumulator (28); und Strömen-Lassen (42; 45) des geschmolzenen Kühlmittels in die Kühlmittel-Strömungskanäle.
Verfahren nach Anspruch 22, bei welchem der Schritt des Strömen-Lassens aufweist: Strömen-Lassen (54, 55, 57) von Wasser von dem Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem (41) rückwärts durch die Kühlmittelkanäle zu dem Kühlmitteleinlass-Verzweigungssystem (38).
Verfahren nach Anspruch 22, bei welchem der Schritte des Strömen-Lassens aufweist: Strömen-Lassen (42) von Wasser von dem Kühlmitteleinlass-Verzweigungssystem (38) normal durch die Kühlmittelkanäle zu dem Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem (41).
Brennstoffzellensystem, aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel (19) mit einer Mehrzahl von benachbarten Brennstoffzellen, wobei jede eine Anode, eine Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete PEM-Membran-Elektrodenanordnung aufweist, wobei jede Zelle Reaktantengas-Strömungskanäle und Kühlmittelkanäle hat; Anschlüsse zur Abgabe von elektrischer Leistung (47, 51); einen Kühlmittel-Akkumulator (28) in Fluidverbindung mit den Kühlmittelkanälen; gekennzeichnet durch: eine elektrische Heizung (45), die in Wärmeverbindung mit Kühlmittel in dem Akkumulator angeordnet ist; und eine Einrichtung (44, 46) zum selektiven Verbinden der Heizung mit den Anschlüssen zur Abgabe elektrischer Leistung innerhalb der ersten paar Minuten des Anfahrens der Brennstoffzellenanordnung, wenn mindestens ein Teil der Brennstoffzellenanordnung bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist, um somit Kühlmittel in dem Akkumulator zu schmelzen.
Brennstoffzellensystem, aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel (19) mit einer Mehrzahl von benachbarten Brennstoffzellen, wobei jede eine Anode mit mindestens einem Brennstoffströmungsfeld, eine Kathode mit mindestens einem Oxidationsmittel-Strömungsfeld und eine zwischen der Anode und Kathode angeordnete PEM-Membran-Elektrodenanordnung aufweist, wobei die Oxidationsmittelgas-Strömungsfelder der Brennstoffzellen von den Kühlmittelkanälen durch ein poröses Medium getrennt sind; eine Einrichtung zum Anwenden von Oxidationsmittelgas bei einem ersten Druck auf die Brennstoffgas-Strömungsfelder; eine Einrichtung (21, 23) zum Anwenden von Brennstoffgas bei einem zweiten Druck auf die Oxidationsmittelgas-Strömungsfelder; und einen Kühlmittelakkumulator (28) in Fluidverbindung mit den Kühlmittelkanälen; dadurch gekennzeichnet, dass: die Oxidationsmittel-Strömungsfelder in Fluidverbindung mit dem Akkumulator ausströmen; eine Heizung (45) in dem Akkumulator angeordnet ist; und eine Pumpe (54) Wasser benachbart der Heizung aufnimmt und Anwenden des Wassers (57, 41) auf die Kühlmittelkanäle bei einem Druck, welcher höher als der erste Druck ist, um so Wasser durch das poröse Medium in die Strömungsfelder zu zwingen.
Brennstoffzellensystem, aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel (19) mit einer Mehrzahl von benachbarten Brennstoffzellen, wobei jede eine Anode mit mindestens einem Brennstoffströmungsfeld, eine Kathode mit mindestens einem Oxidationsmittel-Strömungsfeld und eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete PEM-Membran-Elektrodenanordnung aufweist, wobei jede Zelle Kühlmittelkanäle hat; und einen Kühlmittelakkumulator (28), welcher Kühlmittel (27) von den Kühlmittelkanälen aufnimmt; gekennzeichnet durch: einen kondensierenden Wärmetauscher (65; 70) in Fluidverbindung (73) mit dem Kühlmittel in dem Akkumulator; und eine Einrichtung (23; 75) zum Strömen-Lassen von Oxidationsmittel von einer Quelle durch die Oxidationsmittel-Strömungsfelder zu dem Wärmetauscher, um somit Prozess-Abwärme in (a) der Oxidationsmittelströmung (67), welche zu dem Wärmetauscher ausströmt, auf (b) das Kühlmittel zu übertragen, um jegliches Eis darin zu schmelzen.
System nach Anspruch 27, bei welchem: der Wärmetauscher (65) in das Kühlmittel (27) eingebettet ist; und die Einrichtung (23) Oxidationsmittel von der Quelle zu den Oxidationsmittel-Strömungsfeldern strömen lässt und Oxidationsmittelabgas von den Strömungsfeldern durch den Wärmetauscher strömen lässt (67).
System nach Anspruch 27, bei welchem die Einrichtung (75) Oxidationsmittel von der Quelle durch eine erste Seite (71) des Wärmetauschers und dann in die Oxidationsmittel-Strömungsfelder zur Verfügung stellt; und die Oxidationsmittel-Strömungsfelder zu einer zweiten Seite (72) des Wärmetauschers ausströmen, welcher in Fluidverbindung (73) mit dem Kühlmittel (27) in dem Akkumulator (28) ist, um so zu bewirken, dass Feuchtigkeit in dem Oxidationsmittel-Strömungsfeld-Abgas an dem Wärmetauscher kondensisert und in den Akkumulator strömt, um Eis darin zu schmelzen.
Brennstoffzellensystem, aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel (19) mit einer Mehrzahl von benachbarten Brennstoffzellen, wobei jede eine Anode mit mindestens einem Brennstoffströmungsfeld, eine Kathode mit mindestens einem Oxidationsmittel-Strömungsfeld und eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete PEM-Membran-Elektrodenanordnung aufweist, wobei jede Zelle Kühlmittelkanäle hat, welche von den Strömungsfeldern durch ein poröses Medium getrennt sind; eine Einrichtung (21, 23) zum Anwenden von Oxidationsmittelgas bei einem ersten Druck auf die Oxidationsmittelgas-Strömungsfelder; eine Einrichtung zum Anwenden von Brennstoffgas bei einem zweiten Druck auf die Brennstoffgas-Strömungsfelder; und Anschlüsse zur Abgabe von elektrischer Leistung (47, 51); einen Kühlmittelakkumulator (28), welcher Kühlmittel (27) von den Kühlmittelkanälen aufnimmt; gekennzeichnet durch: die Oxidationsmittel-Strömungsfelder, die in Fluidverbindung mit dem Akkumulator ausströmen; und eine elektrische Heizung (45), die angeordnet in Wärmeverbindung mit dem Kühlmittel in dem Akkumulator ist; eine Einrichtung (44, 46) zum selektiven Verbinden der Heizung mit den Anschlüssen zur Abgabe elektrischer Leistung innerhalb der ersten paar Minuten des Anfahrens der Brennstoffzellenanordnung, wenn mindestens ein Bereich der Brennstoffzellenanordnung bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist, um somit Kühlmittel in dem Akkumulator zu schmelzen; eine Pumpe (54), welche Wasser benachbart der Heizung aufnimmt, und Anwenden (57, 41) des Wassers auf die Kühlmittelkanäle bei einem Druck, welcher höher als der erste Druck ist, um somit Wasser durch das poröse Medium in die Strömungsfelder zu zwingen; einen kondensierenden Wärmetauscher (65; 70) in Fluidverbindung mit dem Kühlmittel in dem Akkumulator; und eine Einrichtung (23; 75) zum Strömen-Lassen von Oxidationsmittel von einer Quelle durch die Oxidationsmittel-Strömungsfelder und zu dem Wärmetauscher, um somit Prozess-Abwärme in (a) der in den Wärmetauscher ausströmenden Oxidationsmittelströmung auf (b) das Kühlmittel zu übertragen, um jegliches Eis darin zu schmelzen.
Verfahren zum Anfahren eines Brennstoffzellensystems, wenn mindestens ein Bereich davon bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel (19) mit einer Mehrzahl von benachbarten Brennstoffzellen aufweist, wobei jede eine Anode mit mindestens einem Brennstoffströmungsfeld, eine Kathode mit mindestens einem Oxidationsmittel-Strömungsfeld und eine zwischen der Anode und Kathode angeordnete PEM-Membran-Elektrodenanordnung aufweist, wobei jede Zelle Kühlmittelkanäle hat, welche von den Strömungsfeldern durch ein poröses Medium getrennt sind, Anschlüsse (47, 51) zur Abgabe von elektrischer Leistung aufweist, einen Kühlmittelakkumulator (28) aufweist, welcher Kühlmittel von den Kühlmittelkanälen aufnimmt, eine elektrische Heizung (45) aufweist, welche in Wärmeverbindung mit dem in dem Akkumulator befindlichen Kühlmittel (27) angeordnet ist, wobei die Oxidationsmittel-Strömungsfelder in Fluidverbindung zu dem Akkumulator ausströmen, wobei das Verfahren aufweist: (a) Anwenden von Oxidationsmittelgas bei einem ersten Druck auf die Brennstoffoxidationsmittelgas-Strömungsfelder; (b) Anwenden von Brennstoffgas bei einem zweiten Druck auf die Brennstoffgas-Strömungsfelder; gekennzeichnet durch: (c) selektives Verbinden (44, 46) der Heizung mit den Anschlüssen zur Abgabe elektrischer Leistung innerhalb der ersten paar Minuten des Anfahrens der Brennstoffzellenanordnung, wenn mindestens ein Bereich der Brennstoffzellenanordnung bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist, um somit Kühlmittel in dem Akkumulator zu schmelzen; (d) Pumpen von Wasser benachbart der Heizung mit einer Pumpe (54) zu den Kühlmittelkanälen (41) bei einem Druck, welcher höher als der erste Druck ist, um somit Wasser durch ein poröses Medium in die Strömungsfelder zu zwingen; und Strömen-Lassen (23, 25) von Oxidationsmittel von einer Quelle durch die Oxidationsmittel-Strömungsfelder und zu einem kondensierenden Wärmetauscher (65) in Fluidverbindung mit dem Kühlmittel in dem Akkumulator, um somit Prozess-Abwärme in (a) der in den Wärmetauscher ausströmenden Oxidationsmittelströmung auf (b) das Kühlmittel zu übertragen, um Eis darin zu schmelzen.
Ein Brennstoffzellensystem mit der Möglichkeit, angefahren zu werden, wenn mindestens ein Teil des Systems bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist, aufweisend: einen Kühlmittelakkumulator (28); und einen Stapel (19) benachbarter Brennstoffzellen mit (a) Kühlmittel-Strömungskanälen in Fluidverbindung mit dem Akkumulator und mit (b) Brennstoff- und Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfeldern; gekennzeichnet durch: eine Einrichtung zum Übertragen von direkt aus den Brennstoffzellen stammender Energie zu dem Kühlmittel in dem Akkumulator, um somit jegliches Eis in dem Akkumulator zu schmelzen, wobei die Mittel zum Übertragen von Energie ausgewählt sind aus einem oder mehreren von: (c) einer elektrischen Heizung (45) in thermischer Verbindung mit dem Kühlmittel (27) in dem Akkumulator und eine Einrichtung (44, 46) zum Anwenden von elektrischer Leistung (47, 51), wenn diese durch die Brennstoffzellen erzeugt wird, auf die elektrische Heizung; und (d) eine Einrichtung zum Übertragen von Abwärme, wenn diese durch die Brennstoffzellen erzeugt wird, auf Kühlmittel in dem Akkumulator.
System nach Anspruch 32, bei welchem die Einrichtung zum Übertragen von Energie aufweist: eine Widerstandsheizung (45) in thermischer Verbindung mit dem Kühlmittel (27) in dem Akkumulator (28) angeordnet; und eine Einrichtung (44, 46) zum Anwenden elektrischer Leistung (47, 51), welche durch das Brennstoffzellensystem erzeugt wurde, auf die Heizung.
System nach Anspruch 32, bei welchem die Einrichtung zum Übertragen von Energie aufweist: eine Widerstandsheizung (45), welche in dem Kühlmittel (27) in dem Akkumulator (28) angeordnet ist; und eine Einrichtung (44, 46) zum Anwenden elektrischer Leistung (47, 51), welche durch das Brennstoffzellensystem erzeugt wurde, auf die Heizung.
System nach Anspruch 32, bei welchem die Einrichtung zum Übertragen von Energie aufweist: eine Einrichtung zum Übertragen von Wärme in den Oxidationsmittel-Strömungsfeldern auf Kühlmittel (27) in dem Akkumulator (28).
System nach Anspruch 35, bei welchem die Einrichtung zum Übertragen von Wärme aufweist: eine Einrichtung (54, 55, 57) zum Leiten von Wasser von den Kühlmittel-Strömungskanälen (41) in die Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfelder und dann in den Akkumulator (28), wodurch Abwärme von der Brennstoffaufbereitung zu dem Wasser geleitet wird, welches die Abwärme zu dem Akkumulator bringt.
System nach Anspruch 36, bei welchem die Einrichtung zum Leiten von Wasser aufweist: eine Einrichtung (45) zum Erwärmen eines Teils des Kühlmittels (27) in dem Akkumulator (28), um Wasser zur Verfügung zu stellen; und eine Einrichtung (54, 55, 57) zum Pumpen des Wassers unter höherem Druck als der Druck in den Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfeldern in (41) die Kühlmittel-Strömungskanäle.
System nach Anspruch 37, bei welchem die Einrichtung zum Pumpen aufweist: ein Kühlmittel-Verzweigungssystem (41), welches mit den Kühlmittel-Strömungskanälen verbunden ist, wobei das Verzweigungssystem höher als der Akkumulator (28) ist; und eine Einrichtung (54, 55, 57) zum Pumpen von Wasser in das Kühlmittel-Verzweigungssystem, um somit zu ermöglichen, dass Wasser zu dem Akkumulator durch Schwerkraft fließt.
System nach Anspruch 38, bei welchem die Kühlmittelkanäle sich zwischen dem oberen (41) und unteren (38) Kühlmittel-Verzweigungssystem erstrecken; und bei welchem die Einrichtung zum Pumpen außerdem aufweist: eine Einrichtung (36, 37) zum Strömen-Lassen von Wasser in den Akkumulator aus den Kühlmittel-Strömungskanälen durch das untere Kühlmittel-Verzweigungssystem, welches niedriger als das obere Kühlmittel-Verzweigungssystem ist.
System nach Anspruch 35, bei welchem die Einrichtung zum Übertragen von Wärme aufweist: einen Wärmetauscher (65), welcher unterhalb des Kühlmittelniveaus (27) in dem Akkumulator (28) angeordnet ist; und eine Einrichtung (25) zum Strömen-Lassen von Abgas von den Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfeldern durch den Wärmetauscher.
System nach Anspruch 35, bei welchem die Einrichtung zum Übertragen von Wärme aufweist: eine Quelle von Reaktantengas; einen Wärmetauscher (70), welcher in einem Raum (72) über und in Fluidverbindung (73) mit dem Akkumulator (28) angeordnet ist; eine Einrichtung (75) zum Strömen-Lassen von Einlass-Oxidationsmittel-Reaktantengas von der Quelle durch die Passagen in dem Wärmetauscher; und wobei Abgas des Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfeld durch den Raum strömt, wobei das Einlass-Oxidationsmittel-Reaktantengas somit den Wärmetauscher kühlt und Wasser aus Wasserdampf in der Oxidationsmittel-Reaktantengasströmung kondensiert, wobei das kondensierte Wasser dann in den Akkumulator strömt, um Kühlmittel darin zu schmelzen.
System nach Anspruch 35, bei welchem: die Kühlmittel-Strömungskanäle sich zwischen dem oberen (41) und dem unteren (38) Kühlmittel-Verzweigungssystem erstrecken; und wobei die Einrichtung zum Übertragen aufweist: eine Einrichtung (45) zum Erwärmen eines Teils des Kühlmittels in dem Akkumulator, um Wasser zur Verfügung zu stellen; eine Einrichtung (54, 55, 57) zum Pumpen von Wasser in das obere Kühlmittel-Verzweigungssystem; und eine Einrichtung (36, 37) zum Strömen-Lassen von Wasser in den Akkumulator von den Kühlmittel-Strömungskanälen durch das untere Kühlmittel-Verzweigungssystem, welches niedriger als das obere Kühlmittel-Verzweigungssystem ist.
System nach Anspruch 42, bei welchem die Einrichtung zum Erwärmen aufweist: eine Widerstandsheizung (45) in thermischer Verbindung mit dem Kühlmittel (27) in dem Akkumulator (28) und angetrieben durch elektrische Leistung (47, 51), welche durch den Brennstoffzellenstapel erzeugt wird.
System nach Anspruch 42, bei welchem die Einrichtung zum Erwärmen aufweist: eine Widerstandsheizung (45) in thermischer Verbindung mit dem Kühlmittel (27) in dem Akkumulator (28) und angetrieben durch eine Batterie (80).
System nach Anspruch 42, bei welchem die Einrichtung zum Erwärmen aufweist: einen Wärmetauscher (31) in thermischer Verbindung mit dem Kühlmittel (27) in dem Akkumulator (28) und aufnehmend eine erwärmte Lösung (83) aus Frostschutzmittel und Wasser.
System nach Anspruch 32, bei welchem die Einrichtung zum Übertragen aufweist: eine Einrichtung (42, 55) zum Pumpen von mit der Heizung (45) in dem Akkumulator geschmolzenen Kühlmittel in den Stapel.
System nach Anspruch 43, bei welchem die Einrichtung zum Pumpen aufweist: eine Einrichtung (55) zum Pumpen von Wasser in Rückwärtsrichtung durch die Kühlmittelkanäle.
System nach Anspruch 43, bei welchem die Einrichtung zum Pumpen aufweist: eine Einrichtung (42) zum Pumpen von Wasser in normaler Richtung durch die Kühlmittelkanäle.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, aufweisend: eine Brennstoffzellenstapelanordnung (19), aufweisend einen Stapel benachbarter PEM-Brennstoffzellen mit (a) Kühlmittel-Strömungskanälen, welche sich zwischen einem Kühlmitteleinlass- (31) und Kühlmittelauslass- (38) Verzweigungssystem erstrecken und wobei sich (b) Brennstoff- und Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfelder zwischen den Brennstoffeinlässen und -auslässen bzw. Oxidationsmitteleinlässen und -auslässen erstrecken; gekennzeichnet durch: die Brennstoffzellenstapelanordnung, aufweisend einen Kühlmittelakkumulator (28), welcher direkt unter und angrenzend an den Stapel angeordnet ist, wobei der Akkumulator in Fluidverbindung (42, 43) mit dem Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem und mit einem von (c) der Oxidationsmitteleinlässe (23; 75) und (d) den Oxidationsmitteleinlässen (25; 76) ist.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 49, außerdem aufweisend: einen Radiator (33), welcher außerhalb der Brennstoffzellenstapelanordnung ist; eine Kühlmittelpumpe (32), welche außerhalb der Brennstoffzellenstapelanordnung ist und in Flüssigkeitsverbindung mit dem Radiator ist; und Kühlmittelrohre (31), welche in dem Akkumulator (28) angeordnet sind und in Flüssigkeitsverbindung mit dem Radiator und der Kühlmittelpumpe sind.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 49, außerdem aufweisend: eine in dem Akkumulator angeordnete elektrische Heizung (45).
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 49, außerdem aufweisend: eine in dem Akkumulator beim Einlass zum Kühlmitteleinlass-Verzweigungssystem angeordnete Drosselung (37).
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, aufweisend: eine Brennstoffzellenstapelanordnung (19), aufweisend einen Stapel benachbarter Brennstoffzellen mit (a) Kühlmittel-Strömungskanälen, welche sich zwischen einem Kühlmitteleinlass- (38) und einem Kühlmittelauslass- (41) Verzweigungssystem erstrecken und mit (b) Brennstoff- und Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfeldern, welche sich zwischen Brennstoffeinlässen und -auslässen bzw. Oxidationsmitteleinlässen (23; 75) und Auslässen (25; 76) erstrecken; gekennzeichnet durch: die Brennstoffzellenstapelanordnung, aufweisend einen Kühlmittelakkumulator, welcher direkt unterhalb und an dem Stapel angrenzend angeordnet ist, wobei der Akkumulator in Fluidverbindung (42, 43) mit dem Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem und mit einem von (c) der Oxidationsmitteleinlässe und (d) der Oxidationsmittelauslässe ist; und eine Einrichtung zum Übertragen von direkt von den Brennstoffzellen stammender Energie auf das Kühlmittel in dem Akkumulator, um somit jegliches Eis in dem Akkumulator zu schmelzen, wobei die Einrichtung zum Übertragen von Energie gewählt ist von einem oder mehreren von: (c) eine elektrische Heizung (45) in thermischer Verbindung (42, 43) mit dem Akkumulator angeordnet und eine Einrichtung zum Anwenden von elektrischer Leistung (47, 51) auf die elektrische Heizung, wenn diese durch die Brennstoffzellen erzeugt wird; und (d) eine Einrichtung zum Übertragen von Abwärme, wenn diese von den Brennstoffzellen erzeugt wird, auf das Kühlmittel in dem Akkumulator.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, aufweisend: eine Brennstoffzellenstapelanordnung (19) mit Anschlüssen zur Abgabe elektrischer Leistung (47, 51) und aufweisend einen Stapel benachbarter PEM-Brennstoffzellen mit (a) Kühlmittel-Strömungskanälen, welche sich zwischen Kühlmitteleinlass- (38) und Kühlmittelauslass- (41) Verzweitungssystemen erstrecken und mit (b) Brennstoff- und Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfeldern, welche sich zwischen Brennstoffeinlässen und -auslässen bzw. Oxidationsmitteleinlässen (23; 75) und -auslässen (25; 76) erstrecken; wobei die Brennstoffzellenstapelanordnung einen Kühlmittelakkumulator (28); und eine in dem Akkumulator angeordnete elektrische Heizung (45) aufweist; gekennzeichnet durch: den Kühlmittelakkumulator, welcher direkt unterhalb und angrenzend an den Stapel angeordnet ist, wobei der Akkumulator in Fluidverbindung (42, 43) mit dem Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem und mit einem von (c) der Oxidationsmitteleinlässe und (d) der Oxidationsmittelauslässe ist; und eine Einrichtung (44, 46) zum selektiven Verbinden der Heizung mit Anschlüssen zur Abgabe elektrischer Leistung innerhalb der ersten paar Minuten des Anfahrens der Brennstoffzellenanordnung, wenn mindestens ein Teil der Brennstoffzellenanordnung bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist, um somit Kühlmittel in dem Akkumulator zu schmelzen.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, aufweisend: eine Brennstoffzellenstapelanordnung (19), aufweisend einen Stapel benachbarter Brennstoffzellen mit (a) Kühlmittel-Strömungskanälen, welche sich zwischen einem Kühlmitteleinlass- (38) und einem Kühlmittelauslass- (41) Verzweigungssystem erstrecken und mit (b) Brennstoff- und Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfeldern, welche sich zwischen Brennstoffeinlässen und -auslässen bzw. Oxidationsmitteleinlässen (23; 75) und -auslässen (25; 76) erstrecken; wobei die Brennstoffzellenstapelanordnung einen Kühlmittelakkumulator (28) aufweist; die Oxidationsmittelgas-Strömungsfelder der Zellen durch ein poröses Medium von den Kühlmittelkanälen getrennt sind; eine Einrichtung zum Anwenden von Oxidationsmittelgas bei einem ersten Druck auf die Oxidationsmittelgas-Strömungsfelder; eine Einrichtung zum Anwenden von Brennstoffgas bei einem zweiten Druck auf die Brennstoffgas-Strömungsfelder; und eine in dem Akkumulator angeordnete Heizung (45); gekennzeichnet durch: den Kühlmittelakkumulator, welcher direkt unterhalb und angrenzend an den Stapel angeordnet ist, wobei der Akkumulator in Fluidverbindung (42, 43) mit dem Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem und mit den Oxidationsmittelauslässen ist; und eine Pumpe (54), welche Wasser benachbart der Heizung aufnimmt, und Anwenden (57, 41) des Wassers auf Kühlmittelkanäle bei einem höheren Druck als dem ersten Druck, um somit Wasser durch das poröse Medium in die Strömungsfelder zu zwingen.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, aufweisend: eine Brennstoffzellenstapelanordnung (19), aufweisend einen Stapel von benachbarten Brennstoffzellen mit (a) Kühlmittel-Strömungskanälen, welche sich zwischen einem Kühlmitteleinlass- (38) und einem Kühlmittelauslass- (41) Verzweigungssystem erstrecken und mit (b) Brennstoff- und Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfeldern, welche sich zwischen Brennstoffeinlässen und -auslässen bzw. Oxidationsmitteleinlässen (23; 75) und -auslässen (25; 76) erstrecken; gekennzeichnet durch: die Brennstoffzellenstapelanordnung, welche einen direkt unterhalb und angrenzend an den Stapel angeordneten Kühlmittelakkumulator (28) aufweist, wobei der Akkumulator in Fluidverbindung (42, 43) mit dem Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem und mit einem von (c) der Oxidationsmitteleinlässe und (d) der Oxidationsmittelauslässe ist; einen kondensierenden Wärmetauscher (65, 70) in Fluidverbindung (73) mit dem Kühlmittel in dem Akkumulator; und eine Einrichtung (23, 75) zum Strömen-Lassen von Oxidationsmittel von einer Quelle durch die Oxidationsmittel-Strömungsfelder und zu dem Wärmetauscher, um somit Prozess-Abwärme in (a) der zu dem Wärmetauscher ausströmenden Oxidationsmittelströmung auf (b) das Kühlmittel zu übertragen, um jegliches Eis darin zu schmelzen.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, aufweisend: eine Brennstoffzellenstapelanordnung (19), aufweisend einen Stapel von benachbarten Brennstoffzellen mit (a) Kühlmittel-Strömungskanälen, welche sich zwischen einem Kühlmitteleinlass- (38) und einem Kühlmittelauslass- (41) Verzweigungssystem erstrecken und mit (b) Brennstoff- und Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfeldern, welche sich zwischen Brennstoffeinlässen und -auslässen bzw. Oxidationsmitteleinlässen (23; 75) und -auslässen (25; 76) erstrecken; wobei die Brennstoffzellenstapelanordnung einen Kühlmittelakkumulator (28) aufweist; wobei die Oxidationsmittelgas-Strömungsfelder der Zellen von den Kühlmittelkanälen durch ein poröses Medium getrennt sind; eine Einrichtung zum Anwenden von Oxidationsmittelgas bei einem ersten Druck auf die Oxidationsmittelgas-Strömungsfelder; eine Einrichtung zum Anwenden von Brennstoffgas bei einem zweiten Druck auf die Brennstoffgas-Strömungsfelder; Anschlüsse zur Abgabe elektrischer Leistung (47, 51); und eine in dem Akkumulator angeordnete elektrische Heizung (45); gekennzeichnet durch: den Akkumulator, welcher direkt unterhalb und angrenzend an den Stapel angeordnet ist, wobei der Akkumulator in Fluidverbindung (42, 43) mit dem Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem und mit einem von (c) der Oxidationsmitteleinlässe und (d) der Oxidationsmittelauslässe ist; eine Einrichtung (44, 46) zum selektiven Verbinden der Heizung mit den Anschlüssen zur Abgabe elektrischer Leistung innerhalb der ersten paar Minuten des Anfahrens der Brennstoffzellenanordnung, wenn mindestens ein Teil der Brennstoffzellenanordnung bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist, um somit Kühlmittel (27) in dem Akkumulator zu schmelzen; eine Pumpe (54), welche Wasser benachbart zu der Heizung aufnimmt und Anwenden (57, 51) des Wassers auf Kühlmittelkanäle bei einem höheren Druck als dem ersten Druck, um somit Wasser durch das poröse Medium in die Strömungsfelder zu zwingen; einen kondensierenden Wärmetauscher (65, 70) in Fluidverbindung (73) mit dem Kühlmittel in dem Akkumulator; und eine Einrichtung (23, 75) zum Strömen-Lassen von Oxidationsmittel von einer Quelle durch die Oxidationsmittel-Strömungsfelder zu dem Wärmetauscher, um somit Prozess-Abwärme in (a) der zu dem Wärmetauscher ausströmenden Oxidationsmittelströmung auf (b) das Kühlmittel zu übertragen, um jegliches Eis darin zu schmelzen.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, aufweisend: eine Brennstoffzellen-Stapelanordnung (19), aufweisend einen den Brennstoffzellen benachbarten Stapel mit (a) Kühlmittel-Strömungskanälen, welche sich zwischen einem Kühlmitteleinlass- (38) und einem Kühlmittelauslass- (41) Verzweigungssystem erstrecken und mit (b) Brennstoff- und Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfeldern, welche sich zwischen Brennstoffeinlässen und -auslässen bzw. Oxidationsmitteleinlässen (23; 75) und -auslässen (25; 76) erstrecken; gekennzeichnet durch: ein Multifunktion-Oxidationsmittel-Reaktantengas-Verzweigungssystem (28) in Fluidverbindung mit den Oxidationsmittel-Reaktantengas-Strömungsfeldern, welches dient als eines von (a) einem Oxidationsmitteleinlass-Verzweigungssystem (9) oder (b) ein Oxidationsmittelauslass-Verzweigungssystem (72), wobei das Oxidationsmittel-Verzweigungssystem unterhalb und angrenzend an den Stapel ist, wobei das Oxidationsmittel-Verzweigungssystem in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem ist und als Kühlmittelakkumulator dient.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage nach Ansprpuch 58, außerdem aufweisend: einen Radiator (33); eine Kühlmittelpumpe (32) in Fluidverbindung mit dem Radiator; und Kühlmittelrohre (31) in Fluidverbindung mit dem Radiator und der Pumpe und in dem Oxidationsmittel-Verzweigungssystem (28) angeordnet, um als Wärmetauscher zwischen Kühlmittel in dem Akkumulator und externem, zwischen dem Radiator und den Röhren durch eine Pumpe zirkulierten Kühlmittel zu dienen.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 58, außerdem aufweisend: eine in dem Oxidationsmittel-Verzweigungssystem (28) angeordnete elektrische Heizung (45) zum Erwärmen von Kühlmittel in dem Akkumulator.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 58, außerdem aufweisend: eine Strömungsdrosselung (37) (16), welche in dem Oxidationsmittel-Verzweigungssystem (28) beim Einlass zu dem Kühlmitteleinlass-Verzweigungssystem (38) angeordnet ist.