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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere
Steuersysteme für
Brennstoffzellen.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Elektrochemische
Brennstoffzellen wandeln Brennstoff und ein Oxidationsmittel in
Elektrizität
um. Elektrochemische Festpolymer-Brennstoffzellen verwenden üblicherweise
eine Membran/Elektrodenanordnung ("MEA"),
welche eine Ionentauschermembran oder einen Festpolymerelektrolyten
aufweist, angeordnet zwischen zwei Elektroden, welche typischerweise
eine Schicht aus porösen
elektrisch leitfähigem
Schichtmaterial aufweisen, beispielsweise Kohlefaserpapier oder
Kohlenstoffgewebe. Die MEA enthält
eine Schicht eines Katalysators, typischerweise in Form von feinstgemahlenem
Platin an jeder Grenzfläche
Membran/Elektrode, um die gewünschte
elektrochemische Reaktion zu induzieren. Im Betrieb sind die Elektroden
elektrisch miteinander verbunden, um einen Schaltkreis zur Leitung
von Elektroden durch einen externen Schaltkreis zu bilden. Typischerweise
wird eine Anzahl von MEAs in Serie elektrisch verbunden, um einen
Brennstoffzellenstapel mit einem gewünschten Leitungsausgang zu schaffen.
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Bei
typischen Brennstoffzellen ist die MEA zwischen zwei elektrisch
leitfähigen
Fluidströmungsfeldplatten
oder Separatorplatten angeordnet. Fluidströmungsfeldplatten haben wenigstens
einen Strömungsdurchlass,
welcher in wenigstens einer der Hauptebenenoberfläche hiervon
ausgebildet ist. Der Strömungsdurchlass
richtet den Brennstoff und das Oxidationsmittel auf die jeweiligen
Elektroden, nämlich
die Anode auf der Brennstoffseite und die Kathode auf der Oxidationsmittelseite.
Die Fluidströmungsfeldplatten
wirken als Stromkollektoren, schaffen eine Stütze für die Elektroden, schaffen
Zugriffskanäle
für Brennstoff-
und Oxidationsmittel an die jeweilige Anoden- und Kathodenoberfläche und
schaffen Kanäle zur
Entfernung von Reaktionsprodukten, wie Wasser, welche sich während des
Betriebs der Zelle bilden.
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Aufgrund
ihrer Null- oder Niedrigemissionsnatur und der Fähigkeit, unter Verwendung erneuerbarer
Brennstoffe zu arbeiten, wird die Verwendung von Brennstoffzellen
als primäre
und/oder Reserveleistungsversorgung wahrscheinlich zunehmend wichtiger.
Beispielsweise kann ein Brennstoffzellenstapel als eine unterbrechungsfreie
Stromversorgung für
eine Computer-, Medizin- oder Kühlausstattung
in einem Haus, Büro
oder einem Geschäft
dienen. Andere Anwendungsfälle
sind natürlich
möglich.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
besteht eine Notwendigkeit für
verbesserte Steuer- und Betriebssysteme für Brennstoffzellensysteme und
für Verfahren
zum Steuern und Betreiben solcher Brennstoffzellensysteme, insbesondere wenn
es eine Leistungsabnahme gibt. Solche Systeme und Verfahren können beispielsweise
eine niedrigere Brennstoffzellenstapelleistung erkennen und durch
vorübergehendes
Einstellen des Reaktandflusses an den Brennstoffzellenstapel darauf
reagieren, um zu versuchen, die Leistung zu verbessern und/oder
um den Brennstoffzellenstapelbetrieb abzubrechen, falls ein solcher
Versuch fehlschlägt.
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Gemäß einem
Aspekt enthält
ein Brennstoffzellensystem Brennstoffzellen zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels
mit einem Brennstoffdurchlass und einem Oxidationsmitteldurchlass
und einer Steuerung, die zum vorübergehenden
Erhöhen
der Reaktandstromflussrate wenigstens entweder des Oxidationsmittels
oder des Brennstoffs durch den jeweiligen Reaktanddurchlass des
Brennstoffzellenstapels in Antwort auf einen Parameter dient, der
einen Leistungsabfall des Brennstoffzellenstapels anzeigt und/oder
zu festen Zeitintervallen während
des Betriebs des Stapels. Die vorübergehende Erhöhung der
Reaktandstrom-Flussrate führt
vorzugsweise zu einem vorübergehenden
Anstieg der Stöchiometrie des
Reaktanden. Der Parameter, der die Leistung des Brennstoffzellenstapels
anzeigt, kann die Spannung über
einer oder mehrerer der Brennstoffzellen in dem Stapel sein. Beispielsweise
kann bei einem Brennstoffzellensystem mit einem Luftkompressor zur
Zufuhr von Oxidationsmittelluft an den Stapel die Luftströmung durch
Erhöhen
eines Taktzyklus des Luftkompressors um annähernd 50 % für eine Wiederbelebungsdauer
von annähernd
5 bis 10 Sekunden erhöht
werden, wenn eine Spannung über
irgendeinem Paar von Brennstoffzellen niedriger als eine definierte
Schwellenwertspannung ist. Wenn der Parameter, der die Leistung
anzeigt, eine unzureichende Leistungserholung angibt, sobald die
Reaktandstrom-Flussrate der vorübergehenden
Erhöhung folgend
verringert wird, kann die Steuerung so angeschlossen sein, dass
der Brennstoffzellenbetrieb beendet wird.
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Wenn
beispielsweise eine Spannung über
einem Paar von Brennstoffzellen niedriger als eine Schwellenwertspannung
während
einer definierten Zwischenwiederbelebungsdauer nach der vorübergehenden
Erhöhung
der Reaktandstrom-Flussrate ist, kann die Steuerung den Brennstoffzellenbetrieb abbrechen.
Was die vorübergehende
Erhöhung
der Reaktandstrom-Flussrate zu festen Zeitintervallen während des
Betriebs des Stapels betrifft, so kann dies unabhängig von
irgendeinem Parameter gemacht werden, der die Brennstoffzellenleistung
angibt, jedoch ist eine Erhöhung
der Oxidationsmittelstrom-Flussrate besonders wirksam zur Verbesserung
der Leistung während
Perioden eines Betriebs mit geringer Leistung, beispielsweise wenn
der Leistungsausgang des Stapels oder wenn die elektrische Last
an dem Stapel unter einen Schwellenwert fällt.
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Bei
Ausführungsformen,
in denen die Brennstoffzelle mit einem im wesentlichen reinen Brennstoffstrom
zu arbeiten vermag, wobei der Brennstoffdurchlass endseitig geschlossen
ist, jedoch mit einem Entleerventil zum periodischen Ablass von
Verunreinigungen aus dem Brennstoffdurchlass verbunden ist, kann
die Steuerung mit dem Entleerventil verbunden sein und kann das
Entleerventil für
eine Spüldauer
zur gleichen Zeit, zu der die Steuerung die Oxidationsmittelstrom-Flussrate
durch den Oxidationsmitteldurchlass des Brennstoffzellenstapels
gemäß obiger
Beschreibung erhöht, öffnen. Die
Steuerung kann das Entleerventil auch unter anderen Bedingungen öffnen, ohne
dass gleichzeitig die Oxidationsmittelstrom-Flussrate erhöht wird.
In einer besonderen Ausführungsform
enthält
ein Wiederbelebungssystem zur Verwendung mit einer Brennstoffzellenanordnung
ein Entleerventil, welches anschließbar ist, um Verunreinigungen
aus einem Brennstoffdurchlass eines Brennstoffzellenstapels abzuführen; eine
Luftströmungsquelle,
welche anschließbar
ist, um eine Luftströmung
durch den Brennstoffzellenstapel zu liefern; und eine Steuerung,
welche mit dem Entleerventil verbunden ist, und das Entleerventil
für eine Spüldauer zu öffnen vermag
und die Luftströmung von
der Luftströmungsquelle
zu erhöhen
vermag, wenn eine Spannung über
einem Paar benachbarter Brennstoffzellen niedriger als eine definierte
Schwellenwertspannung ist.
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In
einem weiteren Aspekt enthält
ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems das vorübergehende
Erhöhen
der Reaktandstrom-Flussrate wenigstens des Oxidationsmittels oder
des Brennstoffs durch den jeweiligen Reaktanddurchlass des Brennstoffzellenstapels
während
einer Wiederbelebungsdauer in Antwort auf einen Parameter, der einen
Abfall der Leistung des Brennstoffzellenstapels anzeigt. Das Verfahren
weist auf: das Überwachen
eines Parameters, der die Leistung der Brennstoffzelle anzeigt,
und das Vergleichen desselben mit einem Schwellenwert.
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Beispielsweise
kann das Verfahren das Überwachen
der Spannung über
einem Paar von Brennstoffzellen umfassen und kann bestimmen, ob diese
niedriger als eine definierte Schwellenwertspannung ist. Der Schwellenwert
kann ein definierter Absolutwert oder ein variabler Referenzwert
sein, beispielsweise der tatsächlichen
momentanen durchschnittlichen Stapelspannung zugeordnet sein. Das Verfahren
kann weiterhin das Beenden des Brennstoffzellenbetriebs aufweisen,
wenn der Parameter, der die Leistung anzeigt, eine ungenügende Leistungserholung
während
einer definierten Zwischenwiederbelebungsdauer anzeigt, sobald die
Reaktandstrom-Flussrate der vorübergehenden
Erhöhung folgend
wieder verringert wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt enthält
ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems das vorübergehende
Erhöhen
der Reaktandstrom-Flussrate wenigstens des Oxidationsmittels oder
des Brennstoffs durch den jeweiligen Reaktanddurchlass des Brennstoffzellenstapels
zu definierten Zeitintervallen während
des Betriebs des Stapels. Dieser Aspekt des Verfahrens ist besonders
effektiv zur Verbesserung der Leistung während Betriebsperioden mit
geringer Leistung, insbesondere auf der Oxidationsmittelseite. Beispielsweise
kann das Verfahren das Überwachen
des Leistungsausgangs des Stapels oder der elektrischen Last an
dem Stapel enthalten, sowie das vorübergehende Erhöhen der Oxidationsmittelstrom-Flussrate
zu festen Zeitintervallen, wenn der Leistungsausgang oder wenn die elektrische
Last unter einen Schwellenwert fällt.
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Die
voranstehenden Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems,
welche das Einstellen der Oxidationsmittelstrom-Flussrate verwenden,
können
in Kombination durchgeführt
werden und können
weiterhin das Öffnen
eines Entleerventils, welches mit einem Brennstoffdurchlass des Brennstoffzellenstapels
verbunden ist, während
einer Entleerdauer gleichzeitig mit dem Erhöhen der Oxidationsmittelstrom-Flussrate aufweisen,
wie beschrieben.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt enthält ein
computerlesbares Medium Anweisungen, um einen Prozessor zu veranlassen,
den Betrieb eines Brennstoffzellensystems zu steuern, indem bestimmt wird,
ob ein Parameter, der die Brennstoffzellenleistung anzeigt, kleiner
als ein definierter Schwellenwert ist und in dem vorübergehend
eine Reaktandstrom-Flussrate durch einen Reaktanddurchlass des Brennstoffzellenstapels
erhöht
wird und in manchen Fällen
gleichzeitig ein Brennstoffentleerventil eines Brennstoffzellenstapels
während
einer Entleerdauer geöffnet
wird, wenn der Parameter kleiner als ein definierter Schwellenwert
ist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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In
der Zeichnung bezeichnen identische Bezugszeichen ähnliche
Elemente oder Abläufe.
Die Größen und
Relativlagen von Elementen in der Zeichnung sind nicht notwendigerweise
maßstäblich. Beispielsweise
sind die Formen von verschiedenen Elementen und die Winkel nicht
maßstäblich dargestellt
und einige dieser Elemente sind beliebig vergrößert und angeordnet, um die
Lesbarkeit der Zeichnung zu verbessern. Weiterhin sollen die besonderen Formgebungen
der zeichnerisch dargestellten Elemente nicht irgendwelche Informationen
betreffend die tatsächliche
Form der bestimmten Elemente enthalten; sie wurden alleine zur Erleichterung
der Erkennbarkeit in der Zeichnung gewählt.
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1 ist
eine isometrische und teilweise auseinandergezogene Darstellung
eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel und der
Steuerungselektronik einschließlich
eines Brennstoffzellenüberwachungs-
und -steuersystems.
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2 ist
eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Brennstoffströmung durch
einen kaskadierten Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems
aus 1.
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3 ist
eine schematische Darstellung eines Teils des Brennstoffzellenüberwachungs-
und -steuersystems aus 1.
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4 ist
eine schematische Darstellung eines zusätzlichen Abschnittes des Brennstoffzellenüberwachungs-
und -steuersystems aus 3 einschließlich einer Brennstoffzellenmikrosteuerung, welche
selektiv zwischen den Brennstoffzellenstapel und eine Batterie geschaltet
ist.
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5 ist
eine schematische Ansicht von rechts oben auf die Anordnung verschiedener
Bauteile des Brennstoffzellensystems aus 1.
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6 ist
eine isometrische Ansicht von rechts oben auf die Anordnung verschiedener
Bauteile des Brennstoffzellensystems aus 1 mit entfernter
Abdeckung.
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7 ist
eine isometrische Ansicht von links oben auf die Anordnung verschiedener
Bauteile des Brennstoffzellensystems aus 5.
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8 ist
eine isometrische Ansicht von rechts oben auf einen Druckreglerabschnitt
des Brennstoffzellensystems aus 5.
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9A und 9B sind
in Kombination ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens
zum Betrieb des Brennstoffzellensystems der 1 und 2,
einschließlich
der Erkennung einer Niederspannungssituation und einer Wiederbelebung
der Brennstoffzelle.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In
der folgenden Beschreibung werden bestimmte spezielle Details ausgeführt, um
ein vollständiges
Verständnis
verschiedener Ausführungsformen der
Erfindung zu liefern. Der Fachmann auf dem Gebiet erkennt jedoch,
dass die Erfindung ohne diese Details in der Praxis umgesetzt werden
kann. Weiterhin sind allgemein bekannte Anordnungen im Zusammenhang
mit Brennstoffzellen, Mikrosteuerungen, Sensoren und Stellgliedern
nicht im Detail beschrieben worden, um eine unnötige Überfrachtung der Beschreibungen
der Ausführungsformen
der Erfindung zu vermeiden.
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Solange
es der Zusammenhang nicht anders notwendig macht, sind in der Beschreibung
und den folgenden Ansprüchen
das Wort "aufweisen" und Abwandlungen
hiervon, wie "aufweisend" und "weist auf" in einem offenen,
einschließenden
Sinn zu verstehen, das heißt
als "enthaltend,
jedoch nicht hierauf beschränkt".
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Brennstoffzellensystem-Überblick
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1 zeigt
einen Abschnitt eines Brennstoffzellensystems 10, nämlich einen
Brennstoffzellenstapel 12 und ein elektronisches Brennstoffzellenüberwachungs-
und -steuersystem 14. Der Brennstoffzellenstapel 12 enthält mehrere
Brennstoffzellenanordnungen 16, welche zwischen einem Paar
von Endplatten 18a und 18b angeordnet sind, wobei
eine der Brennstoffzellenanordnungen 16 teilweise aus dem Brennstoffzellenstapel 12 entfernt
ist, um den Aufbau der Brennstoffzellenanordnung 16 besser
darstellen zu können.
Zuganker (nicht gezeigt) erstrecken sich zwischen den Endplatten 18a und 18b und
wirken mit Befestigungsmuttern 17 zusammen, um die Endplatten 18a und 18b aufeinander
zu vorzuspannen, so dass Druck auf die verschiedenen Bauteile ausgeübt wird,
um guten Kontakt zwischen ihnen sicherzustellen.
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Jede
Brennstoffzellenanordnung 16 enthält eine Membranelektrodenanordnung 20,
welche die beiden Elektroden, nämlich
die Anode 22 und die Kathode 24 enthält, die durch
eine Ionentauschermembran 26 voneinander getrennt sind.
Die Elektroden 22 und 24 können aus einem porösen elektrisch
leitfähigen
Schichtmaterial gebildet sein, beispielsweise Kohlenstofffaserpapier
oder -gewebe, welches für
die Reaktanden durchlässig
ist. Jede der Elektroden 22 und 24 ist an einer
Oberfläche
benachbart der Ionentauschermembran 26 mit einem Katalysator 27 beschichtet,
beispielsweise einer dünnen
Schicht aus Platin, um jede Elektrode elektrochemisch aktiv zu machen.
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Die
Brennstoffzellenanordnung 16 enthält auch ein Paar von Separatoren
oder Strömungsfeldplatten 28,
welche zwischen sich die Membranelektrodenanordnung 20 einschließen. In
der dargestellten Ausführungsform
enthält
jede der Strömungsfeldplatten 28 einen
oder mehrere Reaktandkanäle 30, welche
auf einer ebenen Oberfläche
der Strömungsfeldplatte 28 benachbart
einer der zugehörigen
Elektroden 22 und 24 ausgebildet sind, um Brennstoff
der Anode 22 bzw. ein Oxidationsmittel der Kathode 24 zuzuführen. (In 1 ist
nur der Reaktandkanal 30 an einer der Strömungsfeldplatten 28 sichtbar).
Die Reaktandkanäle 30,
welche das Oxidationsmittel führen,
führen
auch Abluft und Produktwasser von der Kathode 24 weg. Wie
nachfolgend noch genauer beschrieben wird, ist der Brennstoffzellenstapel 12 dafür ausgelegt,
in einer Betriebsart ohne Brennstoffausgang zu arbeiten, so dass
im wesentlichen der gesamte Wasserstoff-Brennstoff, der ihm während des
Betriebs zugeführt
wird, verbraucht wird und wenig oder gar kein Wasserstoff während des
normalen Betriebs des Systems 10 vom Stapel 12 abgeführt wird.
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind jedoch bei Brennstoffzellensystemen
anwendbar, welche mit verdünnten
Brennstoffen arbeiten, und welche nicht ohne Ausgang sind.
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In
der dargestellten Ausführungsform
enthält jede
Strömungsfeldplatte 28 vorzugsweise
eine Mehrzahl von Kühlkanälen 32,
welche auf der ebenen Oberfläche
der Strömungsfeldplatte 28 gegenüber der
ebenen Oberfläche
ausgebildet ist, die den Reaktandkanal 30 aufweist. Wenn
der Stapel zusammengebaut wird, wirken die Kühlkanäle 32 von jeweils
benachbarten Brennstoffzellenanordnungen 16 zusammen, so
dass geschlossene Kühlkanäle 32 zwischen
jeder Membranelektrodenanordnung 20 gebildet werden. Die
Kühlkanäle 32 übertragen
Kühlluft
durch den Brennstoffzellenstapel 12. Die Kühlkanäle 32 sind
vorzugsweise geradlinig und parallel zueinander und überqueren
jede Platte 28, so dass Kühlkanaleinlässe und -auslässe an den
jeweiligen Kanten der Platte 28 liegen.
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Obgleich
die dargestellte Ausführungsform zwei
Strömungsfeldplatten 28 in
jeder Brennstoffzellenanordnung 16 enthält, können andere Ausführungsformen
eine einzelne bipolare Strömungsfeldplatte
(nicht gezeigt) zwischen benachbarten Membranelektrodenanordnungen 20 aufweisen.
In solchen Ausführungsformen
führt ein
Kanal auf einer Seite der bipolaren Platte Brennstoff zur Anode
der einen benachbarten Membranelektrodenanordnung 20, während ein
Kanal auf der anderen Seite der Platte ein Oxidationsmittel zur
Kathode der anderen benachbarten Membranelektrodenanordnung 20 führt. In
solchen Ausführungsformen
können
zusätzliche Strömungsfeldplatten 28 mit
Kanälen
zum Führen
eines Kühlmittels
(z. B. einer Flüssigkeit
oder Gas wie Kühlluft)
durch den Brennstoffzellenstapel 12 hindurch verlaufend
beabstandet sein, um je nach Bedarf ausreichend Kühlluft für den Stapel 12 zu
liefern.
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Die
Endplatte 18a enthält
einen Brennstoffstrom-Einlassanschluss (nicht gezeigt) zum Einbringen
eines Versorgungs-Brennstoffstroms in den Brennstoffzellenstapel 12.
Die Endplatte 18b enthält einen
Brennstoffstrom-Auslassanschluss 35 zur Abgabe eines austretenden
Brennstoffstroms aus dem Brennstoffzellenstapel 12, der
hauptsächlich
Wasser und nicht reaktive Bestandteile und Verunreinigungen aufweist,
beispielsweise solche, welche in dem Versorgungsbrennstoffstrom
eingebracht wurden oder in den Brennstoffstrom im Stapel eingetreten sind.
Der Brennstoffstrom-Auslassanschluss 35 ist normalerweise
während
des Betriebs ohne Ausgang mit einem Ventil verschlossen. Obgleich
der Brennstoffzellenstapel 12 im wesentlichen der gesamten Wasserstoffbrennstoff
zu verbrauchen vermag, der ihm während
des Betriebs zugeführt
wird, können Spuren
von nicht reagiertem Wasserstoff durch den Brennstoffstrom-Auslassanschluss 35 während eines
Spülens
des Brennstoffzellenstapels 12 abgegeben werden, was durch
vorübergehendes Öffnen eines
Ventils am Brennstoffstrom-Auslassanschluss 35 erfolgt.
Jede Brennstoffzellenanordnung 16 weist in sich ausgebildete Öffnungen
ein, um mit entsprechenden Öffnungen
in benachbarten Anordnungen 16 zusammen zu wirken, so dass
interne Brennstoffversorgungs- und -abgabeverteiler (nicht gezeigt)
gebildet werden, welche sich über
die Länge
des Stapels 12 erstrecken. Der Brennstoffstrom-Einlassanschluss
steht über
jeweilige Reaktandkanäle 30 in Fluidverbindung
mit dem Fluid-Ausgangsanschluss 35, welche in Fluidverbindung
mit den jeweiligen Brennstoffzufuhr- und -abgabeverteilern sind.
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Die
Endplatte 18b enthält
einen Oxidationsflussstrom-Einlassanschluss 37 zum Einbringen
von Versorgungsluft (Oxidationsmittelstrom) in den Brennstoffzellenstapel 12 und
einen Oxidationsmittelstrom-Ausgangsanschluss 39 zum Abführen von Abluft
aus dem Brennstoffzellenstapel 12. Jede Brennstoffzellenanordnung 16 weist
in sich ausgebildete Öffnungen 31 und 34 zur
Zusammenwirkung mit entsprechenden Öffnungen in benachbarten Brennstoffzellenanordnungen 16 auf,
um Oxidationsmittelzufuhr- und -abführverteiler zu bilden, welche
sich über
die Länge
des Stapels 12 erstrecken. Der Oxidationsmitteleinlassanschluss 34 steht
in Fluidverbindung mit dem Oxidationsmittelauslassanschluss 39 über jeweilige
Reaktandkanäle 30,
welche in Fluidverbindung mit den Oxidationsmittelzufuhr- und -ablassverteilern
sind.
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In
einer Ausführungsform
enthält
der Brennstoffstapel 12 47 Brennstoffzellenanordnungen 16. (Die 1 und 2 lassen
eine Anzahl der Brennstoffzellenanordnung 16 weg, um die
Klarheit der Zeichnung zu verbessern). Der Brennstoffzellenstapel 12 kann
eine größere oder
geringere Anzahl von Brennstoffzellenanordnungen enthalten, um mehr bzw.
weniger Leistung zu liefern.
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Wie
in 2 gezeigt, wird Brennstoff durch den Brennstoffzellenstapel 12 in
einem kaskadenartigen Strömungsmuster
geführt.
Ein erster Satz 11 ist aufgebaut aus den ersten 43 Brennstoffzellenanordnungen 16,
die so angeordnet sind, dass der Brennstoff innerhalb des Satzes
in einer gemeinsamen parallelen Richtung (durch die Pfeile 13 dargestellt) fließt, welche
im wesentlichen entgegengesetzt zur Strömungsrichtung von Kühlmittel
durch den Brennstoffzellenstapel 12 ist. Die Brennstoffströmung durch
einen nächsten
Satz 15 von zwei Brennstoffzellenanordnungen 16 ist
in Serie bezüglich
der Brennstoffströmung
im ersten Satz 11 und in einer gemeinsamen parallelen Richtung
innerhalb des Satzes 15 (in einer Richtung, die durch die
Pfeile 17 dargestellt ist), welche im wesentlichen gemeinsam
zur Strömungsrichtung
von Kühlmittel
durch den Brennstoffzellenstapel 12 ist. Die Brennstoffströmung durch
einen letzten Satz 19 zweier Brennstoffzellenanordnungen 16 ist
in Serie bezüglich
der ersten und zweiten Sätze 11 und 15 und
in einer gemeinsamen parallelen Richtung innerhalb des Satzes 19 (in
einer Richtung, die durch den Pfeil 21 dargestellt ist)
und im wesentlichen entgegengesetzt zur Strömung von Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel 12.
Das Oxidationsmittel wird jeder der 74 Brennstoffzellen parallel
in der gleichen allgemeinen Richtung wie die Strömung von Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt.
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Der
letzte Satz 19 von Brennstoffzellenanordnungen 16 weist
den Spülzellenabschnitt 36 des Brennstoffzellenstapels
auf. Der Spülzellenabschnitt 36 sammelt
nichtreaktive Bestandteile, welche periodisch durch Öffnen eines
Spülventils
abgelassen werden.
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Jede
Membranelektrodenanordnung 20 ist in der Lage, eine nominelle
Potentialdifferenz von ungefähr
0,6 V zwischen der Anode 22 und der Kathode 24 zu
erzeugen.
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Die
Reaktanden (Wasserstoff und Luft) werden den Elektroden 22 und 24 von
jeder Seite der Ionentauschermembran 26 über die
Reaktandkanäle 30 zugeführt. Wasserstoff
wird der Anode 22 zugeführt,
wo der Platinkatalysator 27 seine Aufspaltung in Protonen
und Elektronen fördert,
welche als verwendbare Elektrizität durch einen externen Schaltkreis
(nicht gezeigt) laufen. Auf der entgegengesetzten Seite der Membranelektrodenanordnung 20 strömt Luft
durch die Reaktandenkanäle 30 zur
Kathode 24, wo der Sauerstoff in der Luft mit den Protonen
reagiert, welche durch die Ionentauschermembran 26 gelaufen
sind, um Produktwasser zu erzeugen.
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Brennstoffzellensystemsensoren
und -stellglieder
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Weiterhin
bezugnehmend auf 1 weist das elektronische Überwachungs-
und Steuersystem 14 verschiedene elektrische und elektronische
Bestandteile auf einer Platine 38 und verschiedene Sensoren 44 und
Stellglieder 46 auf, welche über das Brennstoffzellensystem 10 verteilt
sind. Die Platine 38 trägt
einen Mikroprozessor oder eine Mikrosteuerung 40, welche
geeignet programmiert oder konfiguriert ist, um den Betrieb des
Brennstoffzellensystems durchzuführen.
Die Mikrosteuerung 40 kann in Form einer Atmel AVR RISC-Mikrosteuerung
sein, welche von Atmel Corporation in San Jose, Kalifornien, erhältlich ist.
Das elektronische Überwachungs-
und Steuersystem 14 enthält auch einen bleibenden Speicher 42,
beispielsweise einen EEPROM-Abschnitt
der Mikrosteuerung 40 oder ein diskretes, nichtflüchtiges,
von der Steuerung lesbares Medium.
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Die
Mikrosteuerung 40 ist so angeschlossen, dass sie einen
Eingang von den Sensoren 44 empfängt und Ausgänge an die
Stellglieder 46 liefert. Die Eingabe und/oder Ausgabe kann
in Form entweder digitaler und/oder analoger Signale erfolgen. Eine wiederaufladbare
Batterie 47 versorgt das elektronische Überwachungs- und Steuersystem 14,
bis der Brennstoffzellenstapel 12 ausreichende Leistung
an das elektronische Überwachungs-
und Steuersystem 14 liefern kann. Die Mikrosteuerung 40 ist
selektiv zwischen den Brennstoffzellenstapel 12 und die
Batterie 47 schaltbar, um Leistung während des Betriebs des Brennstoffzellensystems
umzuschalten und/oder um die Batterie 47 während des
Brennstoffzellenbetriebs zu laden.
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3 zeigt
verschiedene Elemente des Brennstoffzellensystems 10 näher und
zeigt verschiedene andere Elemente, welche in 1 aus Gründen der
Einfachheit der Darstellung weggelassen sind.
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Unter
spezieller Bezugnahme auf 3 liefert
das Brennstoffzellensystem 10 mittels eines Brennstoffsystems 50 Brennstoff
(z. B. Wasserstoff) an die Anode 22. Das Brennstoffsystem 50 enthält eine
Brennstoffquelle, beispielsweise einen oder mehrere Brennstofftanks 52 und
ein Brennstoffreguliersystem 54 zur Steuerung der Zufuhr
des Brennstoffs. Die Brennstofftanks 52 können Wasserstoff oder
einen anderen Brennstoff wie Methanol enthalten. Alternativ können die
Brennstofftanks 52 einen Prozessstrom darstellen, aus welchem
Wasserstoff durch einen Reformvorgang von beispielsweise Methan
oder Erdgas erhalten werden kann (wobei in diesem Fall im Brennstoffzellensystem 10 ein
Reformer vorhanden ist).
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Die
Brennstofftanks 52 enthalten jeweils ein Brennstofftankventil 56 zur
Steuerung der Strömung von
Brennstoff aus dem jeweiligen Brennstofftank 52. Die Brennstofftankventile 56 können automatisch von
der Mikrosteuerung 40 gesteuert werden und/oder sie können manuell
durch eine Bedienungsperson gesteuert werden. Die Brennstofftanks 52 können nachfüllbar oder
wegwerfbar sein. Die Brennstofftanks 52 können mit
dem Brennstoffsystem 50 und/oder dem Brennstoffsystem 10 eine
Einheit bilden oder sie können
die Form von getrennten Einheiten haben. In dieser Ausführungsform
sind die Brennstofftanks 52 Hydridspeichertanks. Die Brennstofftanks 52 sind
innerhalb des Brennstoffzellensystems 10 angeordnet, so
dass sie durch die abgeführte
Kühlluft
heizbar sind, welche durch die Hitze erwärmt wird, welche vom Brennstoffzellenstapel 12 erzeugt
wird. Eine solche Heizung erleichtert die Freigabe von Wasserstoff
aus dem Hydridspeichermedium.
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Das
Brennstoffzellenüberwachungs-
und -steuersystem 14 enthält einen Wasserstoffkonzentrationssensor
S5, einen Wasserstoffheizstromsensor S6 und einen Wasserstoffsensorprüfsensor
S11. Der Wasserstoffheizstromsensor S6 kann die Form eines Stromsensors
haben, der angeschlossen ist, um ein Wasserstoffheizelement zu überwachen,
welches ein integraler Bestandteil des Wasserstoffkonzentrationssensors
S5 ist. Der Wasserstoffsensorprüfsensor S11 überwacht
die Spannung über
einen positiven Anschluss einer Wheatstone'schen Brücke in einem Wasserstoffkonzentrationssensor
S5, wie nachfolgend erläutert,
um zu bestimmen, ob der Wasserstoffkonzentrationssensor S5 funktionsfähig ist.
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Die
Kraftstofftanks 52 sind mit dem Kraftstoffreguliersystem 54 über einen
Filter 60 verbunden, der sicherstellt, dass partikelförmige Verunreinigungen
nicht in das Brennstoffreguliersystem 54 eindringen. Das
Brennstoffreguliersystem 54 enthält einen Luftdrucksensor 62 zur Überwachung
des Drucks des Brennstoffes in Brennstofftanks 52, der angibt,
wie viel Brennstoff in den Brennstofftanks 52 verblieben
ist.
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Ein Überdruckventil 64 arbeitet
automatisch, um Überdruck
aus dem Brennstoffsystem 50 abzugeben. Das Überdruckventil 64 kann
die Form eines Kugelfederventils haben. Ein Hauptgasventil-Solenoid CS5 öffnet und
schließt
ein Hauptgasventil 66 in Antwort auf Signale von der Mikrosteuerung 40,
um eine Fluidverbindung zwischen den Brennstofftanks 52 und
dem Brennstoffreguliersystem 54 zu schaffen. Zusätzliche
Solenoide CS7 steuern die Strömung durch
die Brennstofftankventile 56. Ein Wasserstoffregulator 68 reguliert
die Strömung
von Wasserstoff von den Brennstofftanks 52. Brennstoff
wird den Anoden 22 der Brennstoffzellenanordnungen 16 über eine
Wasserstoffeinlassleitung 69 geliefert, welche mit dem
Brennstoffstrom-Einlassanschluss
des Stapels 12 verbunden ist. Sensoren 44 des
Brennstoffreguliersystems 54 überwachen eine Anzahl von Brennstoffzellensystem-Betriebsparametern,
um den Betrieb des Brennstoffzellensystems innerhalb akzeptabler
Grenzen aufrecht zu erhalten. Beispielsweise misst ein Stapelspannungssensor
S3 die Gesamtspannung über
dem Brennstoffzellenstapel 12. Ein Spülzellenspannungssensor S4 überwacht
die Spannung über
dem Spülzellenabschnitt 36 (dem letzten
Satz 19 von Brennstoffzellenanordnung 16 in der
Kaskadengestaltung von 2). Ein Zellenspannungsüberprüfer S9 stellt
sicher, dass eine Spannung über
jeder der Brennstoffzellen 20 innerhalb eines akzeptablen
Grenzwertes ist. Jeder der Sensoren S3, S4 und S9 liefert Eingänge an die
Mikrosteuerung 40, in 3 durch
Pfeile dargestellt, welche in Richtung der Blöcke mit der Bezeichnung "FCM" weisen (FCM = fuel
cell microcontroller = Brennstoffzellen-Mikrosteuerung 40).
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Ein
Brennstoffspülventil 70 ist
am Brennstoffstrom-Auslassanschluss 35 des Brennstoffzellenstapels 12 angeordnet
und ist typischerweise in einer geschlossenen Position, wenn der
Stapel 12 in Betrieb ist. Brennstoff wird somit dem Brennstoffzellenstapel 12 nur
soweit zugeführt,
dass die gewünschte
Rate an elektrochemischer Reaktion aufrecht erhalten wird. Aufgrund
des kaskadenartigen Strömungsdesigns
neigen jegliche Verunreinigungen (z. B. Stickstoff) in dem Brennstoffversorgungsstrom dazu,
sich während
des Betriebs in dem Spülzellenabschnitt 36 zu
sammeln. Eine Ansammlung von Verunreinigungen im Spülzellenabschnitt 36 neigt
dazu, die Leistung des Spülzellenabschnittes 36 zu
verringern; sollte der Spülzellenspannungssensor
S4 einen Leistungsabfall unter einen Schwellenwertspannungspegel
erkennen, kann die Mikrosteuerung 40 ein Signal an eine
Spülventilsteuerung
CS4 senden, beispielsweise einen Solenoiden, um das Spülventil 36 zu öffnen und
die Verunreinigungen und andere nichtreaktive Bestandteile abzugeben,
welche sich in dem Spülzellenabschnitt 36 angesammelt
haben können
(zusammenfassend als "Spülentleerung" bezeichnet). Das
Ablassen von Wasserstoff durch das Spülventil 70 während einer
Spülung
ist beschränkt, um
zu verhindern, dass das Überwachungs-
und Steuersystem 14 einen Fehler oder eine Fehlfunktion auslöst, wie
nachfolgend erläutert
wird.
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Das
Brennstoffzellensystem 10 liefert Sauerstoff in einer Luftströmung an
die Kathodenseite der Membranelektrodenanordnungen 20 mittels
eines Sauerstoffzufuhrsystems 72. Eine Quelle 74 für Sauerstoff
oder Luft kann die Form eines Lufttanks oder der Umgebungsatmosphäre haben.
Ein Filter 76 stellt sicher, dass partikelförmige Verunreinigungen nicht
in das Sauerstoffzufuhrsystem 72 eindringen. Eine Luftkompressorsteuerung
CS1 steuert einen Luftkompressor 78, um die Luft dem Brennstoffzellenstapel 12 mit
einer gewünschten
Strömungsrate zu
liefern. Ein Massenluftflusssensor S8 misst die Luftströmungsrate
in dem Brennstoffzellenstapel 12 und liefert den Wert als
einen Eingang an die Mikrosteuerung 40. Ein Feuchtigkeitstauscher 80 fügt Wasserdampf
der Luft hinzu, um die Ionentauschermembran 26 feucht zu
halten. Der Feuchtigkeitstauscher 80 entfernt auch Wasserdampf,
der ein Nebenprodukt der elektrochemischen Reaktion ist. Überschüssiges flüssiges Wasser
wird über
eine Leitung 81 einem Verdampfer 88 zugeführt.
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Das
Brennstoffzellensystem 10 führt Überschusswärme aus dem Brennstoffzellenstapel 12 ab und
verwendet die Überschusswärme zur
Erwärmung
der Brennstofftanks 52 mittels eines Kühlsystems 82. Das
Kühlsystem 82 enthält einen
Brennstoffzellentemperatursensor S1, beispielsweise einen Thermistor,
der die Kerntemperatur des Brennstoffzellenstapels 12 überwacht.
Die Temperatur wird als Eingang für die Mikrosteuerung 40 geliefert.
Ein Stapelstromsensor S2, beispielsweise ein Hallsensor, misst den
Gesamtstrom durch den Brennstoffzellenstapel 12 und liefert
den Wert des Stroms als Eingang an die Mikrosteuerung 40.
Eine Kühlgebläsesteuerung
CS3 steuert den Betrieb eines oder mehrerer Kühlgebläse 84 zur Kühlung des
Brennstoffstapels 12. Nachdem sie den Brennstoffzellenstapel 12 durchlaufen
hat, zirkuliert die erwärmte
Kühlluft
um die Brennstofftanks 52. Die erwärmte Kühlluft läuft dann durch den Verdampfer 58.
Eine Leistungsrelaysteuerung CS6, beispielsweise ein Solenoid, verbindet
bzw. trennt den Brennstoffstapel 12 mit bzw. von einem
externen elektrischen Schaltkreis in Antwort auf die Mikrosteuerung 40.
Eine Leistungsdiode 59 schafft eine Einwegeisolation des
Brennstoffzellensystems 10 gegenüber der externen Last, um einen Schutz
des Brennstoffzellensystems 10 vor der externen Last zu
haben. Eine Batterierelaissteuerung CS8 schaltet das Brennstoffzellenüberwachungs- und -steuersystem 14 zwischen
den Brennstoffzellenstapel 12 und die Batterie 47 bzw.
trennt es hiervon.
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Das
Brennstoffzellenüberwachungs-
und -steuersystem 14 (in 4 dargestellt)
enthält
Sensoren zur Überwachung
der Umgebung des Brennstoffzellensystems 10 und Stellglieder
zur entsprechenden Steuerung des Brennstoffzellensystems 10. Beispielsweise
dient ein Wasserkonzentrationssensor S5 (in 3 gezeigt)
zur Überwachung
des Wasserstoffkonzentrationswertes in der Umgebungsatmosphäre um den
Brennstoffzellenstapel 12 herum. Der Wasserstoffkonzentrationssensor
S5 kann die Form eines Heizelements mit einem wasserstoffempfindlichen
Thermistor haben, der temperaturkompensiert sein kann. Ein Sauerstoffkonzentrationssensor S7
(wie in 4 gezeigt), dient zur Überwachung des
Sauerstoffkonzentrationswertes in der Umgebungsatmosphäre um das
Brennstoffzellensystem 10 herum. Ein Umgebungstemperatursensor
S10 (in 3 gezeigt), beispielsweise ein
digitaler Sensor, dient zur Überwachung
der Umgebungslufttemperatur um das Brennstoffzellensystem 10 herum.
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Bezugnehmend
auf 4 empfängt
die Mikrosteuerung 40 die verschiedenen Sensormessungen
wie Umgebungslufttemperatur, Brennstoffdruck, Wasserstoffkonzentration,
Sauerstoffkonzentration, Brennstoffzellenstapelstrom, Luftmassenstrom,
Zellenspannungsprüfstatus,
Spannung über
dem Brennstoffzellenstapel und Spannung über dem Spülzellenabschnitt des Brennstoffzellenstapels
von den verschiedenen nachfolgend beschriebenen Sensoren. Die Mikrosteuerung 40 liefert
die Steuersignale an die verschiedenen Stellglieder, beispielsweise
die Luftkompressorsteuerung CS1, die Kühlgebläsesteuerung CS3, die Spülventilsteuerung
CS4, den Hauptgasventilsolenoiden CS5, die Leistungsschaltkreisrelaysteuerung
CS6, den Wasserstofftankventilsolenoiden CS7 und die Batterierelaysteuerung
CS8.
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Brennstoffzellensystem-Anordnung
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Die 5–8 zeigen
den strukturellen Aufbau der Bestandteile im Brennstoffzellensystem 10.
Die Bezeichnungen "oben", "unten", "oberhalb", "unterhalb" und ähnliche
Beschreibungen werden alleine als Bezugspunkte in der Beschreibung
verwendet und obgleich sie der allgemeinen Ausrichtung des dargestellten
Brennstoffzellensystems 10 im Betrieb entsprechen, sollen
sie nicht die Ausrichtung des Brennstoffzellensystems 10 während des
Betriebs oder ansonsten einschränken.
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Bezugnehmend
auf die 5–7, so sind
der Luftkompressor 78 und das Kühlgebläse 84 an einem Ende
("Luftzufuhrende") des Brennstoffzellenstapels 12 gruppiert.
Die Brennstofftanks 52 (in den 5–7 nicht
gezeigt), sind an dem Brennstoffzellensystem 10 an der
Oberseite von und entlang der Länge
des Brennstoffzellensta pels 12 anordenbar. Die Bestandteile
des Brennstoffreguliersystems 54 stromaufwärts des
Brennstoffzellenstapels 12 liegen üblicherweise am Ende des Stapels 12 ("Wasserstoffzufuhrende") gegenüber dem
Luftzufuhrende.
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Der
Luftkompressor 78 ist innerhalb eines isolierenden Gehäuses 700 aufgenommen,
welches entfernbar an dem Luftzufuhrende des Brennstoffzellenstapels 12 angebracht
ist. Das Gehäuse 700 hat eine
Luftzufuhröffnung 702,
die vom Filter 76 abgedeckt ist und welche ermöglicht,
dass Luft in das Gehäuse 700 eintritt.
Der Luftkompressor 78 ist vom Niederdruck-Verdrängertyp
und betreibbar, Luft der Luftversorgungsleitung 81 mit
einer Strömungsrate zuzuführen, welche
von der Bedienungsperson steuerbar ist. Die Luftversorgungsleitung 81 läuft durch eine
Leitungsöffnung 704 im
Kompressorgehäuse 700 und
steht mit einem Luftversorgungseinlass 706 des Feuchtigkeitstauschers 80 in
Verbindung. Der Massenflusssensor S8 liegt an einem Einlass des Luftkompressors 78 und
vorzugsweise innerhalb des Kompressorgehäuses 700.
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Der
Feuchtigkeitstauscher 80 kann von dem Typ sein, wie er
in der US-PS 6,106,964 offenbart ist und ist an einer Seite des
Brennstoffzellenstapels 12 nahe des Luftversorgungsendes
angeordnet. In den Feuchtigkeitstauscher 80 über die
Luftversorgungsleitung 81 eintretende Luft wird befeuchtet
und dann von dem Feuchtigkeitstauscher 80 abgegeben und
in den Brennstoffzellenstapel 12 (über den Versorgungsluftanschluss
der Endplatte 18b) geführt.
Abluft von dem Brennstoffzellenstapel 12 tritt über den
Abluftauslassanschluss in der Endplatte 18b aus und wird
in den Feuchtigkeitstauscher 80 geführt, wo Wasser in dem Abluftstrom
auf den Luftzufuhrstrom übertragen
wird. Der Abluftstrom verlässt
dann den Feuchtigkeitstauscher 80 über den Abluftauslass 712 und
wird über
eine Abluftleitung (nicht gezeigt) dem Verdampfer 58 (in
den 5–7 nicht
gezeigt) übertragen,
der an einer Abdeckung (nicht gezeigt) oberhalb des Brennstoffzellenstapels 12 anordenbar ist.
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Das
Kühlgebläse 84 ist
innerhalb eines Gebläsegehäuses 720 aufgenommen,
welches entfernbar an dem Luftzufuhrende des Brennstoffzellenstapels 12 und
unterhalb des Kompressorgehäuses 200 angeordnet
ist. Das Gebläsegehäuse 720 weist
eine Leitung 724 auf, welche Kühlluft vom Kühlgebläse 84 zu
den Kühlkanalöffnungen
am Boden des Brennstoffzellenstapels 12 führt. Die
Kühlluft
wird nach oben und durch den Brennstoffzellenstapel 12 (über die
Kühlkanäle 32)
geführt
und von den Kühlkanalöffnungen
an der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 12 abgegeben.
Im Betrieb wird vom Brennstoffzellenstapel 12 durch die
Kühlluft
entnommene Wärme
verwen det, die Brennstofftanks 52 zu erwärmen, welche direkt
oberhalb oder entlang der Länge
des Stapels 12 anordenbar sind. Ein Teil der erwärmten Kühlluft kann
in die Luftversorgungsöffnung 702 des
Kompressorgehäuses 700 zur
Verwendung als Oxidationsmittel zuführende Luft zurückgeführt werden.
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Bezugnehmend
insbesondere auf 7 ist die Platine 38,
welche die Mikrosteuerung 40, den Sauerstoffsensor S7 und
den Umgebungstemperatursensor S10 trägt, an der Seite des Brennstoffzellenstapels 12 entgegengesetzt
dem Feuchtigkeitstauscher 80 mittels einer Befestigungsschelle 730 angeordnet.
Positive und negative elektrische Energieversorgungsleitungen 732 und 734 erstrecken
sich von jedem Ende des Brennstoffzellenstapels 12 und
sind mit einer externen Basis verbindbar. Ein elektrisch leitfähiger Anzapfdraht 736 von
jeder der Energieversorgungsleitungen 732 und 734 ist
mit der Platine 38 an einem Stapel-Leistungseingangsanschluss 738 verbunden
und überträgt einen
Teil der vom Brennstoffzellenstapel 12 erzeugten Elektrizität zur Versorgung
der Bauteile auf der Platine 38, sowie der Sensoren 44 und
Stellglieder 46, welche elektrisch mit der Platine 38 am
Anschluss 739 verbunden sind. Auf ähnliche Weise ist die Batterie 47 (in
den 5–7 nicht
gezeigt) mit der Platine 38 an einem Batterieleistungs-Eingangsanschluss 740 angeschlossen.
Die Batterie 47 liefert Leistung an die Platinenbauteile,
Sensoren 44 und Stellglieder 46, wenn der Ausgang
des Brennstoffzellenstapels noch nicht Nominalwerte erreicht hat
(z. B. beim Hochfahren); sobald der Brennstoffzellenstapel 12 nominale Betriebsbedingungen
erreicht hat, kann der Brennstoffzellenstapel 12 auch Energie
liefern, um die Batterie 47 wieder zu laden.
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Allgemein
bezugnehmend auf die 5–7 und insbesondere
auf 8 ist eine Halterung 741 an dem Wasserstoffzufuhrende
zur Anordnung eines Brennstofftankventilanschlusses 53,
eines Wasserstoffdrucksensors 62, eines Überdruckventils 64,
eines Hauptgasventils 66 und eines Wasserstoffdruckreglers 68 oberhalb
des Brennstoffzellenstapels 12 an dem Wasserstoffzufuhrende
angeordnet. Ein geeigneter Druckregulator kann ein Druckregulator
des Typs 912, erhältlich
von Fisher Controls in Marhalltown, Iowa, sein. Ein geeigneter Drucksensor
kann ein Transducer von Texas Instruments, Dallas, Texas, sein.
Ein geeignetes Überdruckventil
kann von Schraeder-Bridgeport, Buffalo Grove, Illinois, bezogen
werden. Das Überdruckventil 64 ist
für die
Brennstofftanks 52 vorgesehen und kann so eingestellt werden,
dass es bei ungefähr
350 psi öffnet.
Ein Niederdruckventil 742 ist für den Brennstoffzellenstapel 12 vorgesehen.
Die Halterung 741 liefert auch eine Befestigung für den Wasserstoffkonzentrationssensor
S5, den Wasserstoffheizstromsensor S6 und den Wasserstoffsensorprüfsensor
S11, welche in 6 sichtbar sind, wo die Halterung 741 transparent
dargestellt ist. Die Brennstofftanks 52 sind mit dem Brennstofftankanschluss 53 verbindbar.
Wenn der Brennstofftank und die Hauptgasventile 56 und 66 geöffnet werden,
wird Wasserstoff unter einem gesteuerten Druck (überwacht vom Drucksensor 62 und
einstellbar durch den Wasserstoffdruckregulator 68) über die
Brennstoffversorgungsleitung 69 dem Brennstoffeinlassanschluss
der Endplatte 18a zugeführt.
Das Spülventil 70 liegt
am Brennstoffauslassanschluss an der Endplatte 8b.
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Das
Brennstoffzellensystem 10 und die Brennstofftanks 52 sind
an Befestigungspunkten 744 mit einer (nicht gezeigten)
Basis verbunden und innerhalb einer Brennstoffzellensystemabdeckung (nicht
gezeigt) aufgenommen. Von der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 12 ausgestoßene Kühlluft wird
somit von der Abdeckung entweder zum Versorgungslufteinlass 702 oder über das
Brennstoffreguliersystem 54 zu einer Kühlluftabgabeöffnung in
dem Gehäuse
geführt.
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Das
Brennstoffzellensystem 10 ist so ausgelegt, dass Bauteile,
die dazu dienen, Wasserstoff abzugeben oder welche ein Leckrisiko
für Wasserstoff darstellen,
soweit als praktikabel in dem Kühlluftpfad liegen
oder dass ihr Auslass/ihre Leckmöglichkeit
zu dem Kühlluftpfad
weist. Der Kühlluftpfad
wird von der Leitung 724, den Kühlluftkanälen des Stapels 12 und dem
Abschnitt der Systemabdeckung oberhalb des Stapels 12 definiert;
ein Kühlluftstrom,
der durch den Kühlluftpfad
verläuft,
ist in den 5, 6 und 7 mit
den Pfeilen veranschaulicht. Die Bauteile, die direkt im Kühlluftpfad
sind, umfassen die Brennstofftanks 52 und die Bestandteile
des Brennstoffreguliersystem 54 wie Überdruckventil 64,
Hauptgasventil 66 und Wasserstoffregulator 68.
Bauteile, die nicht direkt in dem Kühlluftpfad sind, sind in Fluidverbindung
mit dem Kühlluftpfad
und umfassen das Spülventil 70 in
Verbindung mit der Leitung 724 über eine Spülleitung (nicht gezeigt) und
das Niederdruckventil 742 in Verbindung mit einem Auslass
nahe dem Brennstoffreguliersystem 54 über eine Leitung 746. Wenn
das Kühlluftgebläse 84 im
Betrieb ist, führt
der Kühlluftstrom
ausgetretenen/abgegebenen Wasserstoff über die Leitung 724, über den
Stapel 12 und aus dem System 10 in Richtung der
Pfeile in den 5, 6 und 7.
Der Wasserstoffkonzentrationssensor S5 ist strategisch soweit als
möglich stromab
in dem Kühlluftstrom
angeordnet, um Wasserstoff zu erkennen, der in dem Kühlluftstrom
mitgeführt
wird. Der Wasserstoffkonzentrationssensor S5 ist auch im Nahbereich
der Bestandteile des Brennstoffreguliersystems 54 angeordnet,
um die Erkennung von Wasserstofflecks/-abgaben von dem Brennstoffreguliersystem 54 zu
verbessern.
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Beispiel eines
Betriebsverfahrens
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Das
Brennstoffzellensystem 10 kann eine Anzahl von Betriebszuständen verwenden,
welche bestimmen können,
welche Abläufe
oder Aufgaben die Mikrosteuerung 40 durchführt und
welche das Ansprechverhalten der Mikrosteuerung 40 auf
verschiedene Auslesewerte oder Messungen der Brennstoffzellensystem-Betriebsparameter
bestimmen können. Die
Mikrosteuerung 40 arbeitet mit einer Software, welche in
einen Ein-Chip-Flash-Speicher der Mikrosteuerung 40 oder
in einem anderen von der Steuerung lesbaren Speicher programmiert
und hieraus abgerufen werden kann. Insbesondere kann das Brennstoffzellensystem 10 einen
Betriebsbereit-Zustand, einen Startzustand, einen Laufzustand, einen Warmzustand,
einen Fehlerzustand und einen Stopzustand verwenden.
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In
dem Betriebsbereit-Zustand ist der Brennstoffstapel 12 nicht
im Betrieb und die Mikrosteuerung 40 überwacht eine Startleitung
auf ein Hochfahrsignal. Beispielsweise kann die Betätigung eines Startknopfes
oder -schalters (nicht gezeigt) durch eine Bedienungsperson das
Hochfahrsignal auf der Hochfahrleitung erzeugen.
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Im
Startzustand initialisiert sich die Mikrosteuerung 40 selbst,
versetzt alle Stellglieder und Steuervorrichtungen in ihre richtigen
Anfangszustände,
macht eine serielle Schnittfläche
betriebsbereit, startet einen Überwachungszeitgeber
und führt
eine Reihe von Überprüfungen durch,
um sicher zu stellen, dass alle Systeme und Bauteile betriebsbereit sind.
Wenn die Ergebnisse der Überprüfungen befriedigend
sind, veranlasst die Mikrosteuerung 40, dass die externe
Last angeschlossen wird und tritt in einen Betriebszustand ein;
ansonsten geht das Brennstoffzellensystem 10 in einen Fehlerzustand,
ohne in den Betrieb zu gehen.
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In
dem Betriebszustand werden Brennstoff und Oxidationsmittel dem völlig betriebsbereiten Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt. Die
Mikrosteuerung 40 überwacht
die Leistung des Brennstoffzellensystems 10 basierend auf
den gemessenen Betriebsparametern und steuert die verschiedenen
Systeme über
die verschiedenen oben erläuterten
Stellglieder. Wenn die Mikrosteuerung 40 feststellt, dass
einer oder mehrere Betriebsparameter außerhalb eines Warnbereichs
liegen, versetzt die Mikrosteuerung 40 das Brennstoffzellensystem 10 in
den Warnzustand. Wenn die Mikrosteuerung 40 bestimmt, dass
einer oder mehrere Betriebsparameter außerhalb eines Fehlerbereichs
liegen, versetzt die Mikrosteuerung 40 das Brennstoffzellensystem
in den Fehlerzustand. Ansonsten fährt das Brennstoffzellensystem 10 mit dem
Betriebszu stand fort, bis ein Stopsignal auf der Hochfahrleitung
empfangen wird. In Antwort auf das Stopsignal versetzt die Mikrosteuerung 40 das Brennstoffzellensystem 10 vom
Betriebszustand in einen Stopzustand, wenn das Brennstoffzellensystem 10 für wenigstens
eine Minute im Betriebszustand war. Wenn dies der Fall ist, beginnt
die Mikrosteuerung 40 mit einer verlängerten Abschaltprozedur, welche
annähernd
55 Sekunden dauert, wobei das Brennstoffzellensystem 12 während dieser
Zeit in einem Stopzustand ist. Wenn dies nicht der Fall ist, geht
die Mikrosteuerung 40 in die normale Abschaltprozedur und
das Brennstoffzellensystem 10 geht direkt von einem Betriebszustand
in den Betriebsbereitschaftszustand.
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Im
Warnzustand kann die Mikrosteuerung 40 eine Warnmitteilung
an die Bedienungsperson ausgeben, dass man sich außerhalb
des Warnbereiches befindet; im Übrigen
fährt das
Brennstoffzellensystem mit dem Betrieb fort. Zusätzlich kann die Mikrosteuerung 40 einen
Warnbedingungscode entsprechend der Bedingung, das man sich außerhalb
des Warnbereichs befindet, in den bleibenden Speicher 42 schreiben.
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Im
Fehlerzustand stoppt die Mikrosteuerung 40 sofort den Betrieb
des Brennstoffzellensystems 10 und schreibt einen Fehlerbedingungscode
in den nichtflüchtigen
Speicher 42. Das Brennstoffzellensystem 10 verbleibt
in dem Fehlerzustand, bis ein Stopsignal auf der Startleitung empfangen
wird. In Antwort auf das Stopsignal schließt die Mikrosteuerung 40 das
Abschalten des Brennstoffzellensystems 10 ab und versetzt
das Brennstoffzellensystem 10 in den Betriebsbereitschaftszustand.
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Im
Stopzustand schaltet die Mikrosteuerung 40 die verschiedenen
Bestandteile des Brennstoffzellensystems 10 ab und stoppt
den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10. Sobald die
verschiedenen Bestandteile abgeschaltet worden sind, versetzt die
Mikrosteuerung 40 das Brennstoffzellensystem 10 in
den Betriebsbereitschaftszustand.
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Die 9A und 9B zeigen
ein Beispiel eines Wiederbelebungsverfahrens 100 zur Verbesserung
der Leistung der einen oder der mehreren Brennstoffzellenanordnungen 16,
nachdem die Leistung der einen oder der mehreren Brennstoffzellenanordnungen 16 unter
einen Schwellenwert gefallen ist. Ein solcher Leistungsabfall kann
insbesondere das Ergebnis unzureichender Mengen an Reaktanden sein,
welche den Elektrokatalysator in jeder Brennstoffzellenanordnung 16 erreichen,
z. B. wenn Wasser an einen oder mehrere der Reaktandkanäle in der
Brennstoffzelle eingeströmt
ist. Das Verfahren beginnt mit Schritt 102. Im Schritt 104 prüft die Mikrosteuerung 40 die
Spannung über
Paaren der Brennstoffzellenanordnungen 16. Die Mikrosteuerung 40 kann
auf einen digitalen Ausgang des Zellenspannungüberprüfers S9 zurückgreifen. Wenn beispielsweise
der Ausgang des Zellenspannungsüberprüfers S9 "0" oder LOW ist, bestimmt die Mikrosteuerung 40,
dass die Spannung über
wenigstens einem Paar der Brennstoffzellenanordnungen 16 unterhalb
einer Schwellenwertspannung liegt.
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Obgleich
jeder Schaltkreis geeignet ist, der die Spannung über einen
oder mehrere Brennstoffzellenanordnungen 16 zu bestimmen,
ist der Zellenspannungsprüfer
S9, beschrieben in der anmelderidentischen US-Patentanmeldungs-Serien-Nr.
09/mit dem Titel "FUEL
CELL ANOMALY DETECTION METHOD AND APPARATUS" mit dem gleichen Anmeldungstag wie
die vorliegende Anmeldung (Anwalts-Aktenzeichen 130109.406) für das beschriebene
Brennstoffzellensystem 10 besonders geeignet. Eine geeignete
Schwellenwerspannung kann zwischen annähernd 0,8 V und 0,85 V für ein Paar
von Brennstoffzellenanordnungen 16 liegen, wobei jede Brennstoffzellenanordnung 16 in
dem Paar nominal annähernd
0,6 V zwischen Anode 22 und Kathode 24 erzeugt.
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Im
Schritt 106 gibt die Mikrosteuerung 40 die Steuerung
an den Schritt 108, wo eine erste Warteschleife durchgeführt wird,
wenn die Spannung über einem
Paar der Brennstoffzellenanordnung 16 nicht niedriger als
die Schwellenwertspannung ist. Die Mikrosteuerung 40 gibt
die Steuerung an den Schritt 110 weiter, wenn die Spannung über einem
Paar der Brennstoffzellenanordnung 16 niedriger als die Schwellenwertspannung
ist.
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Im
Schritt 110 setzt die Mikrosteuerung 140 einen
Zeitgeber zurück.
Das Brennstoffzellenüberwachungs-
und -steuersystem 14 kann einen oder mehrere Zeitgeber
verwenden, welche integral mit der Mikrosteuerung 40 sein
können
oder diskrete Bauteile sein können.
Im Schritt 112 startet die Mikrosteuerung 40 den
Zeitgeber. Im Schritt 114 schickt die Mikrosteuerung 40 ein
passendes Signal an die Spülventilsteuerung
CS4, um das Spülventil 70 zu öffnen, welches
mit dem Reaktandkanal 30 in Verbindung steht, der den Brennstoff
in dem Spülzellenabschnitt 36 führt. Im
Schritt 116 liefert die Mikrosteuerung 40 Signale
an die Luftkompressorsteuerung CS1, um den Arbeitstakt des Luftkompressors 78 zu erhöhen, so
dass die Luftströmung
erhöht
wird. Ein geeigneter Anstieg im Arbeitstakt kann 50 % über dem
Standard-Betriebsarbeitstakt betragen. Eine geeignete Spül- und Wiederbelebungsdauer
kann zwischen annähernd
5 und 10 Sekunden liegen.
-
In
bestimmten Situationen, in denen die Mikrosteuerung 40 feststellt,
dass der Grund des Leistungsverlustes eine Ansammlung von Verunreinigungen
im Spülzellenabschnitt 36 ist,
veranlasst die Mikrosteuerung 40 nur, dass das Brennstoffspülventil 70 geöffnet wird,
ohne die Luftflussrate durch den Brennstoffzellenstapel 12 zu
erhöhen.
In einer anderen Ausführungsform
erhöht
die Mikrosteuerung 40 nur die Luftflussrate durch den Brennstoffzellenstapel 12,
ohne das Spülventil 70 zu öffnen, wenn
die Mikrosteuerung 40 bestimmt, dass der Grund für den Leistungsfluss
eine unzureichende Luftzufuhr zu dem Elektrokatalysator in der Brennstoffzellenanordnung 16 sein
könnte.
-
Im
Schritt 118 bestimmt die Mikrosteuerung 40, ob
der Zeitgeberlesewert gleich oder größer als die Spüldauer ist.
Die Mikrosteuerung 40 gibt die Steuerung an Schritt 120 weiter,
wo eine zweite Warteschleife durchgeführt wird, wenn der Zeitgeberlesewert
nicht größer oder
gleich der Spüldauer
ist. Die Mikrosteuerung 40 gibt die Steuerung an den Schritt 122 weiter,
wenn der Zeitgeberlesewert größer oder gleich
der Spüldauer
ist.
-
Im
Schritt 122 schickt die Mikrosteuerung 40 ein
geeignetes Signal an die Luftkompressorsteuerung CS1, um den Arbeitstakt
des Luftkompressors 78 zu senken, so dass die Luftströmung verringert wird.
Im Schritt 124 schickt die Mikrosteuerung 40 ein geeignetes
Signal an die Spülventilsteuerung
CS4, um das Spülventil 70 zu
schließen,
so dass der Wiederbelebungsvorgang beendet wird.
-
Im
Schritt 126 setzt die Mikrosteuerung 40 den Zeitgeber
als Vorbereitung für
einen Zwischenwiederbelebungsvorgang zurück. Die Zwischenbelebungsperiode
ist als Zeitperiode definiert, welche der Anwendung eines Wiederbelebungsschrittes
unmittelbar folgt und während
der aufeinander folgende Versuche einer Leistungsrückgewinnung
durch Wiederbelebung verhindert sind. Eine geeignete Zwischenwiederbelebungsperiode
kann annähernd
20 Sekunden betragen. Im Schritt 128 startet die Mikrosteuerung 40 den
Zeitgeber.
-
Im
Schritt 130 prüft
die Mikrosteuerung 40 die Spannung über den Brennstoffzellenpaaren
auf ähnliche
Weise wie im Schritt 104. Im Schritt 132 gibt die
Mikrosteuerung 40 die Steuerung an den Schritt 134 weiter,
um in einen Fehlerzustand einzutreten und den Betrieb des Brennstoffzellenstapels
zu stoppen, wenn die Spannung über
einem Paar von Brennstoffzellen niedriger als eine Schwellenwertspannung
(welche die gleiche oder unterschiedlich zu der Schwellenwertspannung
zur Verwendung im Schritt 106 sein kann) während einer
Zwischenwiederbelebungsperiode ist und um das Wiederbelebungsverfahren 100 im
Schritt 136 zu beenden. Dieser Zustand bildet einen wieder
startbaren Fehler, so dass die Mikrosteuerung 40 ein nicht-startbar-Statusflag nicht
setzt. Wenn die Spannung über
einem Paar von Brennstoffzellenanordnungen 16 nicht niedriger als
die Schwellenwertspannung im Schritt 132 ist, gibt die
Mikrosteuerung 40 die Steuerung an den Schritt 138 weiter.
-
Im
Schritt 138 bestimmt die Mikrosteuerung 40, ob
der Zeitgeberlesewert gleich oder größer als die Zwischenwiederbelebungsdauerperiode
ist. Die Mikrosteuerung 40 gibt die Steuerung an den Schritt 136 weiter,
wenn der Zeitgeberlesewert gleich oder größer als die Zwischenwiederbelebungsperiode
ist. Die Mikrosteuerung 40 gibt die Steuerung an den Schritt 140 weiter,
wo eine dritte Warteschleife durchgeführt wird, wenn der Zeitgeberlesewert
nicht größer oder
gleich der Zwischenwiederbelebungsperiode ist. Nachdem die Zwischenwiederbelebungsperiode
vollständig
ist, kehrt die Mikrosteuerung zum vorherigen Zustand zurück und kann
bei Bedarf weitere Wiederbelebungsschritte durchführen.
-
Das
oben beschriebene Wiederbelebungsverfahren kann in einem Brennstoffzellensystem durchgeführt werden,
welches in verschiedenen Leistungsausgängen oder Lastfestlegungen
betreibbar ist. Das Brennstoffzellensystem 10 kann mit "niedriger Last", beispielsweise
unter 15 A für
das dargestellte System 10 betrieben werden, wenn eine geringe
Anzahl elektrischer Vorrichtungen mit geringer Leistung mit dem
Brennstoffzellensystem 10 verbunden sind und hiervon Leistung
bezieht, oder wenn das Brennstoffzellensystem im Leerlauf ist. Wenn
mit niedriger Last gearbeitet wird, kann die Oxidationsmittelluft-Strömungsrate,
die zur Aufrechterhaltung einer gewünschten Stöchiometrie (typischerweise ungefähr 2,0)
notwendig ist, unzureichend sein, sich an der Kathode ansammelndes
Wasser zu entfernen und eine Flutung der Kathode einer oder mehrerer Brennstoffzellenanordnungen
im System 10 kann schließlich auftreten. Um Probleme
zu verhindern oder zumindest zu verringern, welche mit der Kathodenflutung
während
des Betriebs mit niedriger Last einhergehen, kann ein Wiederbelebungsverfahren
in Zwischenintervallen als Teil einer Wassermanagementstrategie
für den
Betrieb mit Niedriglast verwendet werden. Wenn in diesem Zusammenhang
das Brennstoffzellensystem unter Niederlastbedingungen arbeitet
(beispielsweise unterhalb eines Leistungsschwellenwertausgangs),
kann die Oxidationsmittelluftflussrate intermittierend und vorübergehend erhöht werden
(was typischerweise die Stöchiometrie über den
Nominalwert anhebt), um Überschusswasser
in der Kathode zu entfernen und optional kann das Brennstoffspülventil
(falls vorhanden) intermittierend und vorübergehend geöffnet werden.
Das Wiederbelebungsverfahren kann somit zu definierten Zeitintervallen
durchgeführt
werden, wenn der Leistungsausgang unterhalb eines Schwellenwerts
liegt und wann immer der Zellenspannungsprüfer S9 erkennt, dass ein Brennstoffzellenpaar
unter eine Schwellenwertspannung gefallen ist. Dieser Schwellenwert
kann einer Spannung eines Brennstoffzellenpaars entsprechen, welches
unter Kathodenflutung leidet.
-
Tests
wurden an einem Brennstoffzellenstapel 12 durchgeführt, um
ein geeignetes Intervall zwischen zeitlich festgelegten Wiederbelebungsschritten
zu bestimmen, sowie eine geeignete Dauer des Wiederbelebungsschritts.
Um eine geeignete Frequenz zu bestimmen, wurde die Mikrosteuerung 40 programmiert,
Wiederbelebungsschritte auszulösen, wann
immer die Zellenspannung eines überwachten Zellenpaars
unter 75 % der Durchschnittsspannung der Zellenpaare im Stapel fiel.
Die Minimum-, Maximum- und Durchschnittszeit zwischen den Wiederbelebungsschritten
wurde gemessen. Die Tests wurden für Lasten zwischen 1 und 15
A durchgeführt.
Die nominale Luftflussrate wurde so gesetzt, dass eine Stöchiometrie
von 2,0 erhalten wurde, mit einer minimalen nominalen Luftflussrate
von 16 slpm, um die minimale Luftflussrate wieder zu geben, welche
von dem Luftkompressor eines bestimmten Brennstoffzellensystems 10 erzeugt
werden kann.
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Die
Testdaten zeigen, dass bedeutsames Kathodenfluten bei Lasten größer als
15 A oder unterhalb 5 A nicht auftrat. Bei weniger als 5 A zeigte der
Brennstoffzellenstapel 12 eine Dehydrierung, möglicherweise
aufgrund überhohen
Oxidationsmittelflusses aufgrund der Unfähigkeit des Kompressors, eine
Luftflussrate unterhalb von 16 slpm zu liefern. Bei Lasten zwischen
5 und 15 A zeigte sich, dass eine Erhöhung der Oxidationsmittelluftflussrate für 10 Sekunden
auf eine Flussrate äquivalent
einer Stöchiometrie
von 2,0 bei 30 A (46 slpm) mit einem 10-minütigem Intervall zwischen diesen
Wiederbelebungswerten die Brennstoffzellenleistung bei niedrigen
Lasten (zwischen 5 A und 15 A) verbesserte.
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Alternativ
oder zusätzlich
können
Wiederbelebungsschritte durchgeführt
werden, wann immer der Zustand einer niedrigen Spannung vom Zellenspannungsüberprüfer S9 erkannt
wird.
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Obgleich
bestimmte Ausführungsformen
und Beispiele für
die Erfindung hier für
illustrative Zwecke beschrieben werden, können verschiedene äquivalente
Abwandlungen gemacht werden, ohne vom Wesen und Umfang der Erfindung
abzuweichen, wie es sich für
den Fachmann auf diesem Gebiet ergibt. Die hier angegebene erfindungsgemäße Lehre
kann bei anderen Brennstoffzellensystemen angewendet werden und
nicht nur bei dem PME-Brennstoffzellensystem gemäß obiger Beschreibung.
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Auf
die folgenden US-Patentanmeldungen wird hier vollinhaltlich Bezug
genommen: 09/916,241, mit dem Titel FUEL CELL AMBIENT ENVIRONMENT
MONITORING AND CONTROL APPARATUS AND METHOD (Anwalts-Aktenzeichen 130109.404);
09/916,117, mit dem Titel FUEL CELL CONTROLLER SELF INSPECTION (Anwalts-Aktenzeichen 130109.405);
09/916,115 mit dem Titel FUEL CELL ANOMALY DETECTION METHOD AND
APPARATUS (Anwalts-Aktenzeichen 130109.406); 09/916,211 mit dem
Titel FUEL CELL PURGING METHOD AND APPARATUS (Anwalts-Aktenzeichen 130109.407);
09/916,240 mit dem Titel FUEL CELL SYSTEM METHOD, APPARATUS AND
SCHEDULING (Anwalts-Aktenzeichen 130109.409); 09/916,239 mit dem
Titel FUEL CELL SYSTEM AUTOMATIC POWER SWITCHING METHOD AND APPARATUS
(Anwalts-Aktenzeichen 130109.421); 09/916,118 mit dem Titel PRODUCT
WATER PUMP FOR FUEL CELL SYSTEM (Anwalts-Aktenzeichen 130109.427);
und 09/916,212 mit dem Titel FUEL CELL SYSTEM HAVINGA HYDROGEN SENSOR (Anwalts-Aktenzeichen
130109.429); sämtliche
Anmeldungen gehen auf die gleiche Anmelderin zurück und haben als Anmeldetag
den 25. Juli 2001. Die verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen und
die Anwendungen und Patente, auf welche hier vollinhaltlich Bezug
genommen wurde, können
kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu schaffen. Die
beschriebenen Verfahren können
bestimmte Vorgänge
weglassen oder andere Vorgänge hinzufügen und
können
diese Vorgänge
in unterschiedlicher Reihenfolge als der dargestellten durchführen, um
die Vorteile der Erfindung zu erreichen.
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Diese
und andere Änderungen
können
an der Erfindung im Licht der obigen detaillierten Beschreibung
gemacht werden. Allgemein gesagt, in den nachfolgenden Ansprüchen seien
die verwendeten Bezeichnungen nicht als die Erfindung auf die speziellen
in der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen beschränkend verstanden,
sondern seien so verstanden, dass alle Brennstoffzellensysteme, Steuerungen
und Prozessoren, Stellglieder und Sensoren umfasst sind, welche
gemäß den Ansprüchen arbeiten.
Folglich ist die Erfindung nicht durch die Beschreibung begrenzt,
sondern anstelle hiervon ist der Umfang alleine durch die nachfolgenden
Ansprüche bestimmt.