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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren zum Reduzieren der Häufigkeit und des Einflusses von schädigenden Luft/Wasserstoff-Fronten in einem Brennstoffzellenstapel und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Spülen der Kathoden- und Anodenseiten eines Brennstoffzellenstapels mit Luft, während das Brennstoffzellensystem heruntergefahren wird, nachdem ein Verfahren zum periodischen Injizieren von Wasserstoff in den Stapel während des Herunterfahrens beendet wurde.
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2. Diskussion des Standes der Technik
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Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er erneuerbar ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität ohne schädliche Emissionen in einer Brennstoffzelle zu produzieren. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode beinhaltet, zwischen denen ein Elektrolyt angeordnet ist. Die Anode erhält Wasserstoffgas und die Kathode erhält Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird auf dem Anodenkatalysator dissoziiert, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyten zu der Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen auf dem Kathodenkatalysator und erzeugen dabei Wasser. Die Elektronen können von der Anode nicht durch den Elektrolyten gelangen.
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Dementsprechend werden sie über eine Last geleitet, um Arbeit auszuführen, bevor sie an die Kathode gelangen.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Eine PEMFC beinhaltet im Allgemeinen eine feste Polymerelektrolytenprotonenleitende Membran, so zum Beispiel eine Membran aus einer Perfluorsulfonsäure. Die Anoden- und die Kathoden-Elektroden oder Katalysatorschichten beinhalten typischerweise fein verteilte Katalysatorteilchen, gewöhnlicherweise Platin (Pt), verteilt auf Kohlenstoffpartikeln und vermischt mit einem Ionomer. Die Katalysatormischung ist an entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der Anodenkatalysatormischung, der Kathodenkatalysatormischung und der Membran definieren eine Membranelektroden-Anordnung (MEA). Jede MEA ist gewöhnlicherweise zwischen zwei Schichten aus porösem Material, der Gasdiffusionsschicht (GDL) angeordnet, die die mechanische Integrität der Membran schützt und auch der gleichförmigen Reaktanten- und Feuchtigkeitsverteilung hilft. MEAs sind in der Herstellung relativ teuer und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
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Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu generieren. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel erhält ein Kathodeneingangsgas, wobei typischerweise ein Luftfluss mittels eines Kompressors durch den Stapel geleitet wird. Der Brennstoffzellenstapel erhält darüber hinaus ein Anodenwasserstoffeingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels fließt. Von dem Stapel wird nicht der gesamte Sauerstoff aufgebraucht und einiges an Luft wird als Kathodenabgas ausgelassen, wobei das Kathodenabgas Wasser als ein Abfallprodukt der chemischen Reaktion, die in dem Stapel stattfindet, beinhalten kann.
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Ein Brennstoffzellenstapel weist typischerweise eine Reihe von Bipolarplatten auf, die in dem Stapel zwischen den mehreren MEAs angeordnet sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Die Bipolarplatten beinhalten anodenseitige und eine kathodenseitige Flussverteiler oder Flussfelder für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengasflusskanäle sind auf der Anodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die es erlauben, dass das Anodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Auf der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasflusskanäle vorgesehen, die es erlauben, dass das Kathodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Eine Endplatte beinhaltet Anodengasflusskanäle und die andere Endplatte beinhaltet Kathodengasflusskanäle. Die Bipolarplatten und Endplatten bestehen aus einem leitfähigen Material, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl oder einem leitfähigen Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die Elektrizität, die von den Brennstoffzellen generiert wurde, aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten beinhalten des Weiteren Flusskanäle, durch welche ein Kühlmittel fließt.
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Wenn ein Brennstoffzellensystem heruntergefahren wird, verbleibt unverbrauchtes Wasserstoffgas in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels. Dieses Wasserstoffgas kann durch die Membranen oder quer über die Membranen diffundieren und mit dem Sauerstoff auf der Kathodenseite des Stapels reagieren. Da das Wasserstoffgas zu der Kathodenseite diffundiert, wird der Gesamtdruck auf der Anodenseite des Stapels reduziert. Einiges an Sauerstoff wird in den Kathodenleitungen übrig bleiben und entweder durch Konvektionskräfte oder Diffusionskräfte langsam in das Kathodenluftflussfeld zurückgelangen. Der größte Teil an Sauerstoff wird mit dem Wasserstoff, der lokal in der Zelle vorhanden ist, reagieren. Eventuell wird der lokale Wasserstoff aufgebraucht werden und Sauerstoff wird beginnen, sich anzureichern. Eventuell wird Sauerstoff lokal durch die Membranen zu der Anode wandern.
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Sobald Luft an die Anodenseite des Stapels gelangt, erzeugt dieser eine Luft/Wasserstoff-Front, die ein erhöhtes Potential in der Anodenseite erzeugt, was zu einem lateralen Fluss an Wasserstoffionen von dem mit Wasserstoff gefluteten Teil der Anodenseite zu dem mit Luft gefluteten Teil der Anodenseite führt. Der laterale Strom erzeugt zusammen mit dem hohen lateralen Innenwiderstand der Membran eine signifikante laterale Potentialdifferenz (ungefähr 0,5 V) über der Membran. Ein lokal hohes Potential wird zwischen der luftgefüllten Kathodenseite und dem gegenüberliegenden luftgefüllten Bereich der Anodenseite erzeugt. Das hohe Potential in der Nähe der Elektrolytmembran verursacht eine rapide Kohlenstoffkorrosion, die eine Dünnung der Elektrodenkohlenstoffschicht bewirkt. Dies vermindert den Halt der Katalysatorteilchen, was die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle vermindert.
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In Automobilapplikationen sind eine große Zahl von Start/Stopp-Zyklen über die Lebenszeit des Brennstoffzellensystems erforderlich, wobei jeder davon eine oben beschriebene Luft/Wasserstoff-Front erzeugt. Zielvorgaben von 40.000 Start/Stopp-Zyklen werden als vernünftig angesehen. Das Belassen eines Stapels in einer sauerstoffreichen Atmosphäre beim Herunterfahren resultiert sowohl beim Herunterfahren als auch beim Hochfahren in einem Luft/Wasserstoff-Schadfall, wobei eine 2–5 μV-Degradation pro Start/Stopp-Zyklus plausibel ist. Demzufolge liegt die Gesamtdegradation über 40.000 Start/Stopp-Zyklus-Ereignisse im Größenbereich von 100 oder mehr Millivolt. Falls der Stapel mit einer Wasserstoff/Stickstoff-Mischung beim Herunterfahren belassen wird und falls das System wieder gestartet wird, bevor merkliche Konzentrationen an Sauerstoff sich angereichert haben, wird eine Zellenkorrosion während des Herunterfahrens und dem darauffolgenden erneuten Starten vermieden.
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Es ist im Stand der Technik bekannt, das Wasserstoffgas aus der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels beim Herunterfahren des Systems zu spülen, indem Luft von dem Kompressor in die Anodenseite unter Hochdruck eingeführt wird. Die Luftspülung erzeugt jedoch immer noch eine Luft/Wasserstoff-Front, die zumindest ein bisschen Korrosion der Kohlenstoffhalterung, wie oben diskutiert, bewirkt, auch wenn diese nur von kurzer Dauer ist. Ein anderes bekanntes Verfahren im Stand der Technik stellt eine Kathodenrezirkulation bereit, um die Kohlenstoffkorrosion beim Herunterfahren des Systems zu reduzieren, wie in der
US Patent Application Serial Number 11/463,622 mit dem Titel ”Verfahren zum Lindern einer Zellendegradation aufgrund des Hochfahrens und Herunterfahrens mittels Kathodenrezirkulation kombiniert mit elektrischem Kurzschließen des Stapels”, angemeldet am 10. August 2006 von dem Anmelder dieser Anmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert, offenbart ist. Insbesondere ist es bekannt, eine Mischung von Luft und einer kleinen Menge an Wasserstoff durch die Kathodenseite des Stapels beim Herunterfahren des Systems zu pumpen, sodass der Wasserstoff und der Sauerstoff in der Kathodenseite miteinander reagieren, um die Sauerstoffmenge zu reduzieren und damit das Potential, das die Kohlenstoffkorrosion bewirkt, zu reduzieren.
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Es ist ferner bekannt, den Kathodenluftfluss, während der Wasserstoffdruck beim Herunterfahren an der positiven Anodenseite aufrechterhalten wird, zu stoppen und dann den Stapel elektrisch kurzzuschließen, um zu ermöglichen, dass der Sauerstoff von dem Wasserstoff aufgebraucht wird, und danach die Einlass- und Auslassventile der Anoden- und Kathodenseiten zu schließen, wie in der
US Patent Application Serial Number 11/612,120 mit dem Titel ”Verfahren zum Lindern einer Brennstoffzellendegradation aufgrund des Hochfahrens und Herunterfahrens mittels Wasserstoff/Stickstoff-Speicherung”, angemeldet am 18. Dezember 2006 von dem Anmelder dieser Anmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert, offenbart ist.
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Es wurde im Stand der Technik vorgeschlagen, die Häufigkeit der oben erwähnten Luft/Wasserstoff-Fronten durch periodisches Injizieren von Wasserstoff in die Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels, nachdem der Stapel heruntergefahren wurde, zu reduzieren. Beispielsweise offenbart die
US Patent Application Serial Number 12/636,318 , angemeldet am 11. Dezember 2009 mit dem Titel ”Brennstoffzellenbetriebsverfahren zur Wasserstoffanreicherung nach dem Herunterfahren”, angemeldet von dem Anmelder dieser Anmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert, ein solches Verfahren zum Injizieren von Wasserstoff in die Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels während des Herunterfahrens des Systems. Allerdings muss das Wasserstoffinjektionsverfahren zu einem gewissen Zeitpunkt gestoppt werden und zu diesem Zeitpunkt beginnt Luft in den Stapel zu diffundieren. Es ist notwendig diese Wasserstoffversorgungstechnik an einem gewissen Punkt abzubrechen, um Wasserstoff oder Niedervoltbatterieleistung für eine verlängerte Fahrzeugstandzeit zu sparen. In diesen Situationen verursacht die langsame Rückdiffusion von Sauerstoff zurück in den Stapel die oben erwähnte Katalysatorkorrosion. Daher ist es bekannt, ein Zelle-zu-Zelle-Kurzschließen mittels Widerständen, die positive Temperaturkoeffizienten aufweisen, vorzunehmen, was den Schaden an der Spannung und der Elektrode während der Luftdiffusion begrenzt. Es ist allerdings wünschenswert, die Zell-zu-Zell-Widerstände wegen ihrer Kosten zu eliminieren, um die Systemkosten zu reduzieren.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren zum Reduzieren der Korrosionseffekte einer Luft/Wasserstoff-Front in einem Brennstoffzellenstapel offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Herunterfahren des Brennstoffzellenstapels und das darauf folgende Initiieren eines Wasserstoffversorgungsprozesses, wobei Wasserstoff periodisch in eine Anodenseite des Brennstoffzellenstapels injiziert wird, während der Stapel für eine vorbestimmte Zeitdauer heruntergefahren ist. Das Verfahren bestimmt, dass der Wasserstoffversorgungsprozess beendet wurde, und spült dann die Anodenseite und die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels mit Luft, nachdem der Wasserstoffversorgungsprozess beendet wurde und der Stapel immer noch heruntergefahren ist.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren deutlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems;
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2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Spülen der Anodenseite und der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems aus der 1 bei einem Herunterfahren des Systems zeigt;
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3 ist ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren Brennstoffzellensystems; und
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4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Spülen der Anodenseite und der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems aus der 3 während einem Herunterfahren des Systems zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Spülen der Anodenseite und der Kathodenseite eines Brennstoffzellenstapels mit Luft gerichtet ist, nachdem ein Wasserstoffversorgungsprozess für den Stapel während des Herunterfahrens des Systems beendet wurde, gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken.
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Wie unten im Detail diskutiert werden wird, schlägt die vorliegende Erfindung das Reduzieren der Korrosionseffekte von Luft/Wasserstoff-Fronten während dem Herunterfahren und Hochfahren eines Brennstoffzellenstapels vor. Wie oben diskutiert, ist es bekannt, periodisch Wasserstoff in die Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels zu injizieren, nachdem der Stapel heruntergefahren ist, um Luft für eine gewisse Zeitdauer am Eintritt in den Stapel zu hindern, nachdem der Stapel heruntergefahren wurde, was manchmal als ”Wasserstoff/in-Parkstellung” (hydrogen-in-park) bekannt ist. Der Wasserstoff in der Anodenseite wird durch die Membranen in jeder Zelle diffundieren, was dazu führt, dass die Kathodenseite während des Wasserstoff/in-Parkstellungprozesses ebenfalls mit Wasserstoff gefüllt wird. Nach Ende dieser Zeitdauer und wenn es nicht länger von Vorteil ist, Wasserstoff in den Stapel zu injizieren, schlägt die vorliegende Erfindung vor, die Anodenseite und die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels dann mit Luft zu spülen, um eine schnelle Einleitung von Luft in den Stapel zu erzeugen, was einen geringeren schädigenden Effekt auf den Katalysator hat, als wenn es der Luft ermöglicht werden würde, langsam in den Stapel einzudiffundieren. Luftspülungen sind im Stand der Technik bekannt, die bei einem Herunterfahren des Systems ausgeführt werden, aber diese Luftspülungsverfahren werden unmittelbar beim Herunterfahren und nicht, nachdem der Wasserstoff/in-Parkstellung-Versorgungsprozess beendet wurde, ausgeführt. Durch die Luftspülung des Stapels nach dem Wasserstoff/in-Parkstellung-Versorgungsprozess können die Kurzschließ-Widerstände, die manchmal über den Zellen in dem Stapel angeordnet sind, um das Spannungspotential zu reduzieren, das auftreten würde, falls Luft langsam in den Stapel eintreten könnte, weggelassen werden.
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Wenn der Wasserstoffversorgungsprozess die zulässige Dauer oder die Zahl an Wasserstoffauffrischzyklen überschritten hat, wird die Luftspülung initiiert, wobei die Anodenseite oder die Kathodenseite zuerst gespült wird. Da Wasserstoff/Luft-Fronten, die sich gegenüber der Luft befinden, schädigend sind, wohingegen gegenüberliegende Wasserstofffronten nicht schädigend sind, ist das Spülen des dann verbleibenden Anodenflussfelds oder Kathodengasflussfelds kritischer, da das zuerst gespülte Flussfeld dann Luft enthalten würde. Demzufolge ist es wünschenswert, das zweite Flussfeld schneller zu spülen, um die vom Spülen verursachte Elektrodenbeschädigung zu begrenzen. Darüber hinaus ist es wünschenswert, keine weiteren Komponenten in das System einzubauen, da die Motivation für die Spülung eine Kostenreduktion ist. Im Allgemeinen kann das Kathodenluftflussfeld schneller gespült werden, da die Anodenventile im Allgemeinen beschränkt sind, Anodenflussfelder eine geringere Flussfläche aufweisen und das Anodensubsystem einen parallelen Flusspfad für eine Anodenrezirkulation aufweisen kann.
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1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 12. Das System 10 beinhaltet ferner einen Kompressor 14, der komprimierte Kathodenluft auf einer Kathodeneinlassleitung 16 an das kathodenseitige Flussfeld in den Brennstoffzellenstapel 12 liefert. Das Kathodenabgas wird von dem Brennstoffzellenstapel 12 auf einer Kathodenabgasleitung 18, die ein Kathodendruckbegrenzungsventil 20 zum Regeln des kathodenseitigen Drucks in dem Stapel 12 oder, wenn das Ventil 20 geschlossen ist, zur Verhinderung eines Kathodenflusses durch den Stapel 12 enthält, ausgelassen. Das Kathodenabgas in der Kathodenabgasleitung 18 wird dann an eine Systemabgasleitung 22 geführt, um aus dem System 10 ausgelassen zu werden. Ein Kathodenbypassventil 24 ist in der Systemabgasleitung 22 angeordnet, um zu ermöglichen, dass ein Teil der Kathodenluft oder die gesamte Kathodenluft aus dem Kompressor 14 den Stapel 12 umgeht und direkt in die Systemabgasleitung 22 fließt.
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Das System 10 beinhaltet ferner eine Wasserstoffquelle 26, die Wasserstoffgas an eine Injektor/Ejektor-Vorrichtung 28, die eine geeignete Kombination eines Injektors, eines Ejektors, einer Düse etc. beinhalten kann, liefert, wobei der Injektor in der Anordnung 28 mit einem vorbestimmten Injektor-Tastverhältnis betrieben wird, um Wasserstoffgaspulse an das anodenseitige Flussfeld in dem Brennstoffzellenstapel 12 auf einer Anodeneingangsleitung 30 abzugeben, was Fachleuten gut bekannt ist. Die Weite und die Frequenz der Pulse für den Injektor in der Anordnung 28 regelt, wie viel Wasserstoffgas in den Stapel 12 für eine bestimmte Stapelausgangsstromdichte eingelassen wird. Das Anodenabgas wird von dem Brennstoffzellenstapel 12 auf einer Rezirkulationsleitung 32, die das Anodenabgas an einen Wasserabscheider 34 gibt, der Wasser aus dem Anodengas abscheidet, ausgelassen. Das getrocknete Anodenabgas wird dann zurück an die Injektor/Ejektor-Vorrichtung 28 geführt, um mit frischem Wasserstoff aus der Quelle 26 auf der Anodeneingangsleitung 30 gemischt zu werden. Ein Entlüftungsventil 36 ist vorgesehen, um das Anodenabgas periodisch zu entlüften, um aus diesem Stickstoff mit einer Technik, die Fachleuten gut bekannt ist, zu entfernen. In dieser nicht einschränkenden Ausführungsform wird das von dem Ventil 36 entlüftete Anodenabgas mit der Luft auf der Kathodeneingangsleitung 16 gemischt und zu der Kathodenseite des Stapels 12 geführt, wobei es von dem Stapel 12 auf der Kathodenabgasleitung 18 ausgelassen wird, und wobei der Wasserstoff in dem entlüfteten Anodenabgas mit Luft auf dem Kathodenkatalysator reagieren kann, um Wasserstoffabgasemmissionen aus dem System 10 zu beseitigen. Ein Ablassventil 38 ist mit dem Wasserabscheider 34 gekoppelt, um das Wasser, das sich dort aufgrund des Wasserabscheideverfahrens gesammelt hat, abzulassen, welches dann an die Systemabgasleitung 22 geführt wird, um aus dem System 10 entfernt zu werden.
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Die Technik oder das Verfahren, das für die Luftspülung der Anode verwendet wird, hängt vom mechanischen Aufbau des Anodensystems ab. Bei Systemen, wie dem System 10 mit einem zum Kathodendruckbegrenzungsventil 20 stromaufwärts angeordneten Entlüftungsventil und einem zum Kathodendruckbegrenzungsventil 20 stromabwärts angeordneten Ablassventil, wird die Anodenseite zuerst mit einem kontinuierlichen Fluss gespült. Bei geschlossenem Druckbegrenzungsventil 20, geöffnetem Entlüftungsventil 36 und geöffnetem Ablassventil 38 wird Luft von dem Kompressor 14 durch das Anodensubsystem fließen. Insbesondere wird die Luft von dem Kompressor 14 auf der Leitung 16 durch das Entlüftungsventil 36 in einer zum entlüfteten Wasserstoffabgasfluss entgegengesetzten Richtung strömen und danach durch zwei parallele Pfade fließen, insbesondere, wenn das Druckbegrenzungsventil 20 geschlossen ist und der Kompressor 14 in Betrieb ist. Der erste Pfad verläuft durch den Wasserabscheider 34, durch das Ablassventil 38 und durch die Leitung 22 aus dem System 10 heraus, um eine Spülung der Anodenrezirkulationsseite bereitzustellen, und der zweite Pfad verläuft durch die Injektor/Ejektor-Vorrichtung 28, die Anodeneingangsleitung 30, die Anodenseite des Stapels 12 und die Rezirkulationsleitung 32 und verbindet sich dann mit dem ersten Pfad, um ebenfalls durch den Wasserabscheider 34, das Ablassventil 38 und durch die Systemabgasleitung 22 aus dem System 10 herauszufließen, um eine Spülung der Anodenseite bereitzustellen. Das Kathodenbypassventil 24 wird geöffnet oder teilweise geöffnet, um den Solldruck aufrechtzuerhalten und eine Verdünnung des Wasserstoffgasflusses von der Anodenseite des Stapels 12 während der Spülung bereitzustellen. Die Anodenseite wird mit zumindest einem Stapelvolumen an Luft gespült, wobei der Luftfluss basierend auf dem Anodenflusswiderstand und dem Differenzdruck geschätzt wird. Mit parallelen Flusspfaden für ein Anodensubsystem mit Anodenrezirkulation muss der Volumenfluss durch jeden Pfad so geschätzt werden, dass die Spülungsdauer für jeden Pfad adäquat ist. Nach Vollendung der Spülung der Anodenseite werden das Entlüftungsventil 36 und das Ablassventil 38 geschlossen und die Kathodenseite des Stapels 12 wird mit Luft gespült, indem das Druckbegrenzungsventil 20 geöffnet wird. Die Luftspülung ist vollständig, wenn die Kathodenseite mit Luft gespült worden ist. Danach kann der Kompressor 14 ausgeschaltet werden und die Kathodenventile 20 und 24 werden geschlossen.
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Der oben diskutierte Betrieb wird in dem Flussdiagramm 50 in der 2 gezeigt. Im Kasten 52 öffnet der Algorithmus das Entlüftungsventil 36 und das Ablassventil 38, schließt das Druckbegrenzungsventil 20, öffnet das Bypassventil 24 und startet den Kompressor 14. Danach fließt im Kasten 54 Luft sowohl durch die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12, d. h. durch das Entlüftungsventil 36, den Wasserabscheider 34 und die Injektor/Ejektor-Vorrichtung 28, als auch durch die Anodenrezirkulationsseite des Systems 10. In der Entscheidungsraute 56 bestimmt der Algorithmus dann, ob die Luftspülung auf der Anodenseite basierend auf dem Volumenfluss vollständig ist. Wenn die Luftspülung der Anodenseite nicht vollständig ist, dann geht der Algorithmus zurück zum Kasten 54, um mit dem Luftdurchfließen durch die Anodenseite fortzufahren. Wenn in der Entscheidungsraute 56 die Luftspülung auf der Anodenseite vollständig ist, dann schließt der Algorithmus im Kasten 58 das Entlüftungsventil 36 und das Ablassventil 38 und öffnet im Kasten 60 das Druckbegrenzungsventil 20. Während der Kompressor 14 immer noch in Betrieb ist, fließt Luft durch die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 im Kasten 62. Der Algorithmus bestimmt dann in der Entscheidungsraute 64, ob die Luftspülung der Kathode vollständig ist. Wenn dies nicht der Fall ist, geht der Algorithmus zurück zum Kasten 62, um mit dem Luftdurchfließen durch die Kathodenseite des Stapels 12 fortzufahren. Wenn in der Entscheidungsraute 64 die Spülung der Kathodenseite vollständig ist, dann schaltet der Algorithmus im Kasten 66 den Kompressor 14 ab und schließt das Druckbegrenzungsventil 20 und das Bypassventil 24.
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3 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 40, das dem Brennstoffzellensystem 10 ähnlich ist, wobei gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. In dieser Ausführungsform des Systems wurde das Ablassventil 38 eliminiert und das Entlüftungsventil 36 wurde durch ein Entlüftungs-/Ablassventil 42 ersetzt, das sowohl die Anodenentlüftung als auch das Wasserablassen aus dem Wasserabscheider ermöglicht. Das Wasser, das aus dem Wasserabscheider 34 durch das Ventil 42 abgelassen wird, fließt durch die Kathodenseite des Stapels 12.
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Bei Brennstoffzellensystemen wie dem System 40, die ein kombiniertes Entlüftungs- und Ablassventil verwenden, wird das Anodenvolumen mittels mehrerer Zyklen von Luftverdichten und anschließendem Luftentspannen gespült. Da dieser Verdichtungszyklus ebenfalls Wasserstoff aus der Kathodenseite abgeben würde, wird zuerst die Kathodenseite gespült, indem Luft durch die Kathodenseite fließt, wobei die Stellungen des Bypassventils 24 und des Druckbegrenzungsventils 20 eingestellt werden, um die Emissionsanforderungen einzuhalten. Um den anodenseitigen Wasserstoff abzugeben, wird die Kathodenseite mit Druckluft beaufschlagt, in dem das Druckbegrenzungsventil 20 geschlossen wird, was dazu führt, dass auch die Anodenseite mit Druckluft beaufschlagt wird, da die Anodenseite mit der Kathodenseite über das geöffnete Entlüftungs-/Ablassventil 42 und die Injektor/Ejektor-Vorrichtung 28 verbunden ist. Der Druck wird dann durch Öffnen des Kathodendruckbegrenzungsventils 20 abgebaut, welches ebenfalls wasserstoffhaltiges Gas aus der Anodenseite abgibt. Der Verdichtungs/Entspannungs-Zyklus wird so lange wiederholt, bis eine adäquate Wasserstoffmenge von der Anodenseite des Stapels 12 ausgelassen worden ist. Wenn die Luftspülung vollständig ist, wird das Entlüftungs-/Ablassventil 42 geschlossen, der Kompressor 14 abgeschaltet und das Druckbegrenzungsventil 20 und das Bypassventil 24 geschlossen. Es wird angemerkt, dass für diese Ausführungsform das Entlüftung-/Ablassventil 42 stromaufwärts zum Druckbegrenzungsventil 20 angeordnet werden muss, was typischerweise der Fall sein würde, sodass das entlüftete Gas zur Wasserstoffzufuhr an die Kathodenseite zum Heizen des Katalysators während des Aufwärmens des Stapels verwendet werden kann.
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4 ist ein Flussdiagramm 70, das den oben diskutierten Betrieb zum Spülen des Systems 40 zeigt. Im Kasten 72 öffnet der Algorithmus das Bypassventil 24 und das Druckbegrenzungsventil 20 und startet den Kompressor 14. Im Kasten 74 fließt Luft durch die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 und in der Entscheidungsraute 76 bestimmt der Algorithmus, ob die Kathodenseite frei von Wasserstoff ist und ob die Spülung der Kathodenseite vollständig ist. Wenn in der Entscheidungsraute 76 die Kathodenseite nicht frei von Wasserstoff ist, geht der Algorithmus zurück zum Kasten 74, um einen Luftfluss durch die Kathodenseite zu ermöglichen. Wenn in der Entscheidungsraute 76 die Kathodenseite frei von Wasserstoff ist, dann öffnet der Algorithmus im Kasten 78 das Entlüftungs-/Ablassventil 42 und schließt das Druckbegrenzungsventil 20 teilweise, um im Kasten 80 einen kathodenseitigen und einen anodenseitigen Druck zu erzeugen. Der Algorithmus öffnet dann im Kasten 82 das Druckbegrenzungsventil 20 vollständig, um die Anodenseite abzulassen, und bestimmt in der Entscheidungsraute 84, ob die Luftspülung der Anodenseite vollständig ist, basierend auf der Zahl von Ablassvorgängen. Wenn in der Entscheidungsraute 84 die anodenseitige Spülung nicht vollständig ist, kehrt der Algorithmus zum Kasten 80 zurück, um einen weiteren Druckzyklus zu generieren. Wenn in der Entscheidungsraute 84 die Luftspülung der Anodenseite vollständig ist, dann schließt der Algorithmus im Kasten 86 das Entlüftungs-/Ablassventil 42, schaltet den Kompressor 14 aus und schließt das Druckbegrenzungsventil 20 und das Bypassventil 24.
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Ein inadäquates Verfahren für die Spülung von Anodenwasserstoff basiert auf einer elektrischen Last und einer Sauerstoffaufnahme über die Membranen, welches nur Wasserstoff innerhalb der aktiven Fläche der Anode verbraucht und den Wasserstoff innerhalb des übrigen Anodensubsystems nicht tangiert. Es ist wünschenswert, das ganze Anodensubsystem mit Luft zu spülen, sodass der Restwasserstoff innerhalb des Anodensystems nicht zurück in den mit Luft gefüllten Stapel diffundieren kann und erhöhte Zellspannungen und eine Korrosion des Elektrokohlenstoffs verursachen kann.
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Wie von Fachleuten gut verstanden wird, können verschiedene oder einige Schritte und Verfahren, die hier erörtert wurden, um die Erfindung zu beschreiben, von einem Computer, einem Prozessor oder einer anderen elektronischen Recheneinheit ausgeführt werden, die mit Hilfe elektrischer Phänomene Daten manipuliert und/oder transformiert. Diese Computer und elektrischen Geräte können verschiedene flüchtige und/oder nicht flüchtige Speicher inklusive einem festen computerlesbaren Medium mit einem darauf befindlichen ausführbaren Programm beinhalten, das verschiedene Codes oder ausführbare Instruktionen beinhaltet, die von dem Computer oder Prozessor ausgeführt werden, wobei der Speicher und/oder das computerlesbare Medium alle Formen und Arten von einem Speicher und anderen computerlesbaren Medien beinhalten kann.
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Die vorhergehende Diskussion zeigt und beschreibt rein exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus der Diskussion an den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass zahlreiche Änderungen, Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne dabei den Geist und den Bereich der Erfindung zu verlassen, wie er mit den folgenden Patentansprüchen definiert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 11/463622 [0010]
- US 11/612120 [0011]
- US 12/636318 [0012]
