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HINTERGRUND
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(a) Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellen-Inbetriebnahmevorrichtung und -Verfahren und insbesondere eine Brennstoffzellen-Inbetriebnahmevorrichtung und -Verfahren, die Probleme einer Hochspannungserzeugung und Kathodenelektrodenkorrosion lösen können, die durch Sauerstoff, der sich an einer Zelle in der Nähe eines zentralen Strömungsverteiler nach einem Langzeitparken eines Brennstoffzellenfahrzeugs ansammelt, verursacht werden.
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(b) Stand der Technik
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Eine Hauptenergiequelle eines Brennstoffzellenfahrzeugs ist eine Stromerzeugungsvorrichtung, die als 'Brennstoffzellenstapel' bezeichnet wird. In dieser Vorrichtung wandelt die Brennstoffzelle chemische Energie von typischerweise Wasserstoff in elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion in dem Stapel um, anstatt die chemische Energie in Wärme durch Verbrennung umzuwandeln.
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Ein bekannter Typ einer Brennstoffzelle ist eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell – PEMFC), die als eine Energiequelle zum Antreiben eines Fahrzeugs umfassend untersucht worden ist. Insbesondere umfasst eine PEMFC typischerweise eine Membranelektrodenanordnung (Membrane Electrode Assembly – MEA), in der auf beiden Seiten einer Elektrolytmembran, wo sich Protonen hindurch bewegen, Katalysatorschichten angebracht sind, die als elektrochemischer Reaktionsbereich arbeitet. Zusätzlich umfasst die PEMFC ebenfalls eine Gasdiffusionsschicht – (Gas Diffusion Layer – GDL), die ein Reaktionsgas gleichmäßig verteilt und die erzeugte elektrische Energie überträgt, und eine Bipolarplatte, die einen Weg für das Reaktionsgas für eine Reaktion und ein Kühlmittel zum Kühlen der Brennstoffzelle bereitstellt.
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In der Brennstoffzelle werden durch einen Strömungsweg in der Bipolarplatte Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff (Luft) als ein Oxidationsmittel an eine Anode beziehungsweise an eine Kathode der MEA zugeführt, so dass Wasserstoff an die Anode (ebenfalls als Brennstoffelektrode, Wasserstoffelektrode oder eine Oxidationselektrode bezeichnet) zugeführt wird und Sauerstoff (Luft) an die Kathode (ebenfalls als Luftelektrode, eine Sauerstoffelektrode oder eine Reduktionselektrode bezeichnet) zugeführt wird.
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Der an die Anode zugeführte Wasserstoff wird in Protonen (H+) und Elektronen (e–) aufgetrennt, von denen nur die Protonen durch die Elektrolytmembran hindurchgehen, die eine Kationenaustauschmembran ist, und werden an die Kathode abgegeben und die Elektronen werden an die Kathode durch die GDL und die Bipolarplatte, die leitende Medien darstellen, abgegeben.
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In der Kathode kommen die durch die Elektrolytmembran zugeführten Protonen und die durch die Bipolarplatte abgegebenen Elektronen in Kontakt mit Sauerstoff in der Luft, die an die Kathode durch eine Luftzuführungsvorrichtung zugeführt wird, wodurch Wasser erzeugt wird. Aufgrund der Bewegung der Protonen in diesem Zustand fließen die Protonen durch eine externe Leitung und ein solcher Fluss der Elektronen erzeugt einen Strom.
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Wie in 1 dargestellt, umfasst ein bei dem Brennstoffzellenfahrzeug verwendetes Brennstoffzellensystem eine Wasserstoffzufuhrvorrichtung 10 zum Zuführen von Wasserstoff, der als Brennstoff arbeitet, an einen Brennstoffzellenstapel 1, eine Luftzufuhrvorrichtung 20 zum Zuführen von Sauerstoff enthaltender Luft, die als ein Oxidationsmittel für eine elektrochemische Reaktion arbeitet, an den Brennstoffzellenstapel 1, und eine Wasserstoffrückführungsvorrichtung 16 zum wieder Zuführen von nicht umgesetztem Wasserstoff, der von einem Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 1 in einen Anodeneinlass zum Wiederverwenden des Wasserstoffes ausgeleitet wird. Mit der Wasserstoffrückführung wird die Verteilung des Reagens aufgrund einer Erhöhung der Strömungsrate von Wasserstoff in dem Stapel 1 gleichmäßig, wodurch eine gleichmäßige Zellenspannungsverteilung erzielt wird und der Stapel 1 stabil betrieben wird.
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Ferner, unter Beschreibung des in 1 dargestellten Systems, strömt der an die Wasserstoffzufuhrvorrichtung 10 zugeführte Hochdruck-Wasserstoff von einer Wasserstoffspeichereinheit (zum Beispiel ein Wasserstofftank) 11 sequenziell durch ein Wasserstoffzufuhrventil 13 und einen Regler 14 einer Wasserstoffversorgungsleitung 12 und wird dann an den Brennstoffzellenstapel 1 durch einen zentralen Strömungsverteiler (nicht gezeigt) zugeführt. Die durch ein Luftgebläse 22 in der Luftzufuhrvorrichtung 20 zugeführte Luft strömt durch eine Befeuchtungsvorrichtung 23 und wird dann an den Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt. Zusätzlich wird in einer Luftversorgungsleitung 21 und/oder einer Kathodenauslassleitung 24, die mit einem Kathodeneinlass/-Auslass des Brennstoffzellenstapels 1 verbunden ist, ein Luftabsperrventil (nicht dargestellt) angebracht.
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In einigen Fällen kann das Luftabsperrventil während der Wintermonate einfrieren und somit wird in dem Brennstoffzellen-Inbetriebnahmevorgang der Zustand des Luftabsperrventils überprüft, um zu bestimmen, ob das Luftabsperrventil eingefroren ist.
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Als solches, um die Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem in Betrieb zu nehmen, sollten Wasserstoff (Brenngas), der ein Reaktionsgas ist, und Luft (Oxidationsgas) an den Brennstoffzellenstapel zugeführt werden. 2 zeigt ein Flussdiagramm, das einen herkömmlichen Brennstoffzellen-Inbetriebnahmeprozess darstellt. Unter Bezugnahme auf 2 wird in dem allgemeinen Brennstoffzellen-Inbetriebnahmeprozess der Zustand des Luftabsperrventils in einem Inbetriebnahme-Stand-by-Zustand überprüft und dann wird der Wasserstoff, der ein Brennstoff ist, von der Wasserstoffzufuhrvorrichtung an den Brennstoffzellenstapel zugeführt. Danach wird die Wasserstoffrückführungsvorrichtung (einschließlich eines Rückführungsgebläses) betrieben/angesteuert, die Luftzufuhrvorrichtung führt befeuchtete Luft, die durch eine Befeuchtungsvorrichtung befeuchtet wird, an den Brennstoffzellenstapel zu und dann wird eine Stapelspannung überprüft, womit der Inbetriebnahmeprozess beendet wird.
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Der zentrale Strömungsverteiler verbindet Versorgungs- und Auslassleitungen für Wasserstoff und Luft und Versorgungs- und Auslassleitungen für ein Kühlmittel mit einem Verteiler des Brennstoffzellenstapels zum effizienten Zuführen und Ausleiten/Auslassen von Wasserstoff, Luft und dem Kühlmittel an jede Elementarzelle des Brennstoffzellenstapels. Jedoch kann während des Langzeitparkens des Brennstoffzellenfahrzeugs Außenluft in die Kathode des Brennstoffzellenstapels durch einen Riss in einem mit dem Brennstoffzellenstapel verbundenen Rohr eindringen und die in der Kathode eingeleitete Luft (Sauerstoff) kann in die Anode durch die Elektrolytmembran eingeleitet werden. Demzufolge, wenn die Brennstoffzelle in Betrieb genommen wird, wenn Luft (Sauerstoff) in der Anode vorhanden ist, wird eine hohe Spannung, die höher als eine gewöhnliche Zellenspannung ist (zum Beispiel 1 V) in einer Grenzfläche zwischen Sauerstoff und Wasserstoff gebildet, was die Leistung der Elektrode verschlechtert.
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Insbesondere in dem Fall des Langzeitparkens wird Luft typischerweise durch den mit dem Verteiler des Brennstoffzellenstapels verbundenen zentralen Strömungsverteiler eingeleitet, so dass in einer Zelle in der Nähe des zentralen Strömungsverteilers die Dichte von Sauerstoff in der Anode höher als in anderen Zellen ist, und als ein Ergebnis verstärkt sich die Hochspannungserzeugung in einem erneuten Inbetriebnahmeprozess, wodurch erhebliche Schäden der Zelle in der Nähe des zentralen Strömungsverteilers verursacht werden.
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Das heißt, im Falle eines Langzeitparkens ist die Dichte von Sauerstoff in der Zelle in der Nähe des zentralen Strömungsverteilers, der sich nahe dem Rohr befindet, ziemlich hoch, wodurch die Hochspannungserzeugung in dieser Zelle intensiviert wird und somit die Leistung dieser Zelle in hohem Maße herabgesetzt wird.
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Außerdem, wenn zu viel Hochspannung bei der Inbetriebnahme erzeugt wird, wird die Dicke der Kathodenelektrode reduziert. In Bezug auf eine Zelle wird die Außenluft hauptsächlich durch ”Luft aus”, was in 3 dargestellt wird, eingeleitet und somit ist die Dichte von Sauerstoff in der Nähe von ”Luft aus” am höchsten. Schließlich kann während einer wiederholten Inbetriebnahme aufgrund eines hohen Potentials, das in der Kathode in der Nähe von ”Luft aus” gebildet wird, ein Kohlenstoffträger korrodiert werden, wodurch die Dicke der Kathodenelektrode reduziert wird.
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Zusammenfassend wird in dem Fall des Langzeitparkens Luft in die Kathode des Brennstoffzellenstapels eingeleitet und die Luft in der Kathode bewegt sich zu der Anode durch die Elektrolytmembran, so dass, wenn die Brennstoffzelle in Betrieb genommen wird, wenn Luft in der Anode verbleibt, der Kohlenstoffträger korrodiert werden kann, wodurch die Dicke der Kathodenelektrode reduziert wird.
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Der Brennstoffzellenstapel weist einen Aufbau auf, in dem Elementarzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, und als ein Ergebnis, wird die Leistung des Brennstoffzellenstapels durch jede bestimmte Zelle, deren Leistung herabgesetzt ist, beschränkt. Folglich kann eine Reparatur des Stapels gemäß der Leistungsschwankung zwischen den Zellen erforderlich werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
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Dementsprechend stellen verschiedene Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzellen-Inbetriebnahmevorrichtung und -Verfahren bereit, die in wirksamer Weise verhindern, dass eine Hochspannung erzeugt wird und dadurch eine Korrosion einer Kathodenelektrode auftritt, wenn die Dichte von Sauerstoff lokal in einer Zelle in der Nähe eines zentralen Strömungsverteilers nach einem Langzeitparken eines Brennstoffzellenfahrzeugs zunimmt.
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Gemäß einer der verschiedenen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellen-Inbetriebnahmeverfahren bereitgestellt, umfassend ein Betreiben einer Dichtesteuergaszuführung, die ein Dichtesteuergas an eine Anode eines Brennstoffzellenstapels zuführt und ein anodenseitiges Gas in einer Zelle des Brennstoffzellenstapels zwangsweise mit dem Dichtesteuergas mischt, und einer Brennstoff- und Oxidationsgaszufuhr, die ein Brennstoffgas und ein Oxidationsgas, die für eine elektrochemische Reaktion erforderlich sind, an den Brennstoffzellenstapel zuführt.
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Gemäß einer weiteren der verschiedenen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung wird eine Brennstoffzellen-Inbetriebnahmevorrichtung bereitgestellt, umfassend eine Steuerung, die eingerichtet ist, um ein Steuersignal zum Zuführen eines Dichtesteuergases auszugeben, und eine Dichtesteuergaszuführung, die gemäß einem Steuersignal der Steuerung betrieben wird, um das Dichtesteuergas an eine Anode eines Brennstoffzellenstapels zuzuführen, wobei bei der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle die Steuerung die Dichtesteuergaszuführung vor einem Zuführen eines Brennstoffgases und eines Oxidationsgases, die für eine elektrochemische Reaktion erforderlich sind, an den Brennstoffzellenstapel wahlweise betreibt, um ein anodenseitiges Gas in einer Zelle des Brennstoffzellenstapels mit dem Dichtesteuergas zwangsweise zu mischen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen davon ausführlicher beschrieben, welche durch die beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, und welche im Folgenden nur zur Veranschaulichung dienen, und somit nicht für die vorliegende Erfindung einschränkend sind. In den Figuren zeigen:
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1 ein Diagramm, das ein Brennstoffzellensystem darstellt;
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2 ein Flussdiagramm, das einen herkömmlichen Inbetriebnahmeprozess darstellt;
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3 ein Diagramm, das einen Luftauslass in einer Elementarzelle einer Brennstoffzelle darstellt;
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4 ein Flussdiagramm, das einen Brennstoffzellen-Inbetriebnahmeprozess gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
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5 ein Flussdiagramm, das einen Brennstoffzellen-Inbetriebnahmeprozess gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei ein Dichtesteuergas unter Verwendung eines Rückführungsgebläses zugeführt wird; und
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6 ein Diagramm, das ein Brennstoffzellensystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Nachstehend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, um es dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die vorliegende Erfindung ohne Umstände auszuführen.
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Es ist zu beachten, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
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Zusätzlich versteht es sich, dass die unten beschriebenen Verfahren durch zumindest eine Steuerung ausgeführt werden. Der Ausdruck Steuerung bezieht sich auf eine Hardware-Vorrichtung, die einen Speicher und einen Prozessor umfasst, die eingerichtet ist, um einen oder mehrere Schritte auszuführen, die als ihre algorithmische Struktur interpretiert werden sollten. Der Speicher ist eingerichtet, um algorithmische Schritte zu speichern, und der Prozessor ist insbesondere eingerichtet, um die besagten algorithmischen Schritte auszuführen, um einen oder mehrere Prozesse durchzuführen, die weiter unten beschrieben werden.
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Darüber hinaus kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nichtflüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt werden, das ablauffähige Programmbefehle umfasst, die durch einen Prozessor, eine Steuerung oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele von computerlesbaren Speichermedien umfassen in nicht einschränkender Weise ROM, RAM, Compact-Disc(CD)-ROMs, Magnetbänder, Floppydisks, Flash-Laufwerke, Smart Cards und optische Datenspeichervorrichtungen. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann ebenfalls in netzgekoppelten Computersystemen dezentral angeordnet sein, so dass das computerlesbare Medium in einer verteilten Art und Weise gespeichert und ausgeführt wird, z. B. durch einen Telematik-Server oder ein Controller Area Network (CAN).
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Ferner ist die hierin verwendete Terminologie zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen ”ein”, ”eine/einer” und ”der/die/das” dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke ”aufweisen” und/oder ”aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck ”und/oder” jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-Inbetriebnahmeverfahren zum Lösen der herkömmlichen Probleme, die in einer Inbetriebnahme nach einem Langzeitparken eines Brennstoffzellenfahrzeugs auftreten können, das heißt, Probleme in Bezug auf eine Hochspannungserzeugung und eine Elektrodenkorrosion.
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Wie oben beschrieben, kann im Falle eines Langzeitparkens eines Brennstoffzellenfahrzeugs Außenluft in den Brennstoffzellenstapel durch einen Riss in einem Rohr eingeleitet werden und die Dichte von Sauerstoff wird in einer Zelle in der Nähe eines zentralen Strömungsverteilers, der sich nahe dem Rohr befindet, aufgrund der Einleitung der Außenluft lokal erhöht. Als ein Ergebnis kann in einer Inbetriebnahme einer Brennstoffzelle aufgrund der hohen Sauerstoffdichte in einer Zelle in der Nähe des zentralen Strömungsverteilers eine Hochspannungserzeugung konzentriert/verstärkt werden und kann eine Korrosion einer Kathodenelektrode auftreten.
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Um dieses Problem zu lösen, ist es nach einem Langzeitparken zum Zeitpunkt einer Inbetriebnahme der Brennstoffzelle erforderlich, die Dichte von Sauerstoff zu verringern, der sich lokal in der Zelle in der Nähe des zentralen Strömungsverteilers angesammelt hat, und ist ein Inbetriebnahmeprozess zum Absenken der Dichte von Sauerstoff in den ganzen Zellen des Stapels erforderlich.
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Während eines Langzeitparkens des Brennstoffzellenfahrzeugs bewegt sich die zu der Kathode der Zelle eingeleitete Außenluft zu der Anode durch die Elektrolytmembran, und wenn die Brennstoffzelle in Betrieb genommen wird (Reaktionsgas wird zugeführt), wenn Sauerstoff in der Anode vorhanden ist, wird eine hohe Spannung gebildet, die höher als eine gewöhnliche Zellenspannung ist (zum Beispiel 1 V), wodurch die Leistung der Elektrode herabgesetzt wird.
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In diesem Fall erhöht sich die hohe Spannung im Verhältnis zu der Sauerstoffdichte in der Anode und somit, wenn Sauerstoff in der Anode verdünnt wird, bevor das Reaktionsgas für die Inbetriebnahme der Brennstoffzelle zugeführt wird, kann eine Entstehung der hohen Spannung verhindert werden.
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Darüber hinaus, da die Sauerstoffdichte in der Zelle in der Nähe des zentralen Strömungsverteilers nach einem Langzeitparken erhöht wird, wenn die Sauerstoffdichte in den ganzen Zellen durch Verringern der Sauerstoffdichte in der Zelle in der Nähe des zentralen Strömungsverteilers in der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle abgesenkt wird, kann eine Hochspannungserzeugung und die daraus resultierende Elektrodenkorrosion verhindert werden.
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In dieser Hinsicht stellt die vorliegende Erfindung einen Brennstoffzellen-Inbetriebnahmeprozess und eine -Vorrichtung zum wahlweisen Zuführen eines Dichtesteuergases an einen Brennstoffzellenstapel vor einem Zuführen eines Reaktionsgases während einer erneuten/wiederholten Inbetriebnahme eines Brennstoffzellensystems nach einem Langzeitparken eines Brennstoffzellenfahrzeugs bereit.
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4 zeigt ein Flussdiagramm, das einen Brennstoffzellen-Inbetriebnahmeprozess gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. In der vorliegenden Erfindung wird in einer Brennstoffzellen-Inbetriebnahme ein Dichtesteuergas wahlweise an einen Anodeneinlasse des Brennstoffzellenstapels (1 von 1) zugeführt und dann werden Reaktionsgase, die für eine elektrochemische Reaktion (Brennstoffzellenreaktion) erforderlich sind, das heißt, Wasserstoff als ein Brennstoffgas und Luft als ein Oxidationsgas zugeführt.
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Zu diesem Zweck kann die Brennstoffzellen-Inbetriebnahmevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen eine Dichtesteuergaszuführung, die ein Dichtesteuergas an einen Anodeneinlass eines Brennstoffzellenstapels zuführt, und eine Steuerung, die eingerichtet ist, um die Dichtesteuergaszuführung zu betreiben, um das Dichtesteuergas wahlweise an den Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels vor einem Zuführen von Reaktionsgas (Brennstoffgas und Oxidationsgas), die für eine elektrochemische Reaktion (Brennstoffzellenreaktion) erforderlich sind, in einer Inbetriebnahme der Brennstoffzelle zuzuführen.
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Hierbei kann die Steuerung eine Brennstoffzellensystemsteuerung zum Steuern/Regeln eines Betriebs der Wasserstoffzufuhrvorrichtung und der Luftzufuhrvorrichtung (Betrieb von verschiedenen Ventilen, eines Luftgebläses und eines Rückführungsgebläses) sein, um die Zufuhr und das Absperren der Reaktionsgase beim Steuern/Regeln eines Inbetriebnahmeprozesses und eines Außerbetriebnahmeprozesses des Brennstoffzellensystems zu steuern/regeln.
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Das Dichtesteuergas wird zugeführt, um mit einem anodenseitigen Gas in der Zelle des Brennstoffzellenstapels vermischt zu werden, so dass zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle das Dichtesteuergas in die Zelle durch einen Anodeneinlasse des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, bevor das Reaktionsgas zugeführt wird, wodurch in der Zelle in der Nähe des zentralen Strömungsverteilers angesammelter Sauerstoff verdünnt wird und die Dichte von Sauerstoff in den ganzen Zellen des Stapels global reduziert wird.
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In der vorliegenden Erfindung kann die Dichtesteuergaszuführung eine Vorrichtung eines bestehenden Brennstoffzellensystems sein, das das Dichtesteuergas zum Steuern/Regeln der Dichte des anodenseitigen Gases in der Zelle des Brennstoffzellenstapels an den Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels zuführen kann, oder kann eine Vorrichtung sein, die separat in dem Brennstoffzellensystem vorgesehen ist, um das Dichtesteuergas an den Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels zuzuführen.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Dichtesteuergaszuführung die Vorrichtung des bestehenden Brennstoffzellensystems ohne ein Abweichen von der allgemeinen Installation verwenden, und in diesem Fall kann die Dichtesteuergaszuführung eine Wasserstoffrückführungsvorrichtung 16 sein, einschließlich einer Wasserstoffrückführungsleitung 17 und eines in der Wasserstoffrückführungsleitung 17 angebrachten Rückführungsgebläses 18.
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Unter Bezugnahme auf 1 ist die Wasserstoffrückführungsleitung 17 ein Rohr, das von einer anodenseitigen Auslassleitung 15 des Brennstoffzellenstapels 1 zu der Brennstoffversorgungsleitung 12 verbunden ist, und das Rückführungsgebläse 18 ist eine Zuführungseinheit, die gemäß einem Steuersignal einer Steuerung (nicht gezeigt), um Gas (Gas, das von der Zelle des Stapels durch den Anodenauslass eingespeist wird) der anodenseitigen Auslassleitung 15 des Brennstoffzellenstapels 1 an den Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 1 zuzuführen.
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In der gegenwärtigen Ausführungsform arbeitet die Wasserstoffrückführungsvorrichtung 16 unter Steuerung der Steuerung während einer Inbetriebnahme der Brennstoffzelle, bevor das Reaktionsgas zugeführt wird. Zu diesem Zweck wird das anodenseitige Gas in der Zelle des Brennstoffzellenstapels 1 durch den Anodenauslass eingespeist und an den Anodeneinlass zugeführt. In diesem Fall ist das von dem Anodenauslass zu dem Anodeneinlass zuzuführende Gas das Dichtesteuergas.
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5 ein Flussdiagramm, das einen Brennstoffzellen-Inbetriebnahmeprozess zum Steuern/Regeln der Dichte von Sauerstoff in der Anode unter Verwendung der Wasserstoffrückführungsvorrichtung 16 darstellt, um eine Erzeugung einer hohen Spannung und eine Elektrodenkorrosion zu verhindern. Herkömmlicherweise wird Wasserstoff in einer Brennstoffzelleninbetriebnahme zugeführt und das Rückführungsgebläse 18 wird betrieben/angesteuert (siehe 2), aber in der vorliegenden Erfindung wird das Rückführungsgebläse 18 zuerst unter Steuerung der Steuerung angesteuert/betrieben und dann werden Wasserstoff und Luft als Reaktionsgas zugeführt (siehe 5).
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Als solches, sobald das Rückführungsgebläse 18 während des Inbetriebnahmeprozesses angesteuert/betrieben wird, hält das Rückführungsgebläse 18 einen Ansteuerungszustand/Betriebszustand zum wieder Zuführen von nicht umgesetztem Wasserstoff an den Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 1 während eines Brennstoffzellenbetriebs nach Beendigung der Inbetriebnahme kontinuierlich aufrecht.
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Falls das Rückführungsgebläse 18 vor der Zufuhr des Reaktionsgases angesteuert/betrieben wird, können Stickstoff und Luft in der Anode des Brennstoffzellenstapels 1 an den Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 1 als das Dichtesteuergas zugeführt werden, und dieses Dichtesteuergas kann zwangsweise mit dem in der Zelle (erste Zelle) in der Nähe des zentralen Strömungsverteilers angesammelten Sauerstoff vermischt werden, um den konzentrierten Sauerstoff zu verdünnen, und kann einen Gasstrom erzeugen, der den Sauerstoff, der lokal in dem Anodenkanal des Stapels 1 vorhanden ist, voranzutreiben, um die Dichte des Sauerstoffes in den ganzen Zellen des Stapels 1 abzusenken.
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Schließlich, lediglich mit einer einfachen Logikänderung, in der der Ansteuerungsstartpunkt/Betriebsstartpunkt des Rückführungsgebläses 18 zu einem Punkt vor einer Wasserstoffzufuhr in der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle geändert wird, kann das Dichtesteuergas zum Verhindern einer Hochspannungserzeugung in dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt werden, wodurch eine Hochspannungserzeugung und eine Elektrodenkorrosion, die durch Sauerstoff mit hoher Dichte in der Zelle des Stapels 1 verursacht wird, verhindert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Dichtesteuergaszuführung eine Vorrichtung sein, die separat in dem Brennstoffzellensystem vorgesehen ist, um das Dichtesteuergas an den Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 1 zuzuführen, und eine Anordnung des Brennstoffzellensystems unter Verwendung der Dichtesteuergaszuführung wird in 6 dargestellt.
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Wie in 6 dargestellt, kann die Dichtesteuergaszuführung zum Zuführen des Dichtesteuergases eine Versorgungseinheit 31 zum Speichern und Zuführen des Dichtesteuergases, eine Gasversorgungsleitung 32, die von der Versorgungseinheit 31 zu dem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 1 verbunden ist, und ein Ventil 33, das in der Gasversorgungsleitung 32 angebracht ist, um gemäß einem Steuersignal der Steuerung geöffnet oder geschlossen zu werden, umfassen.
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In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das Dichtesteuergas ein inertes Gas wie Stickstoff sein und das Ventil 33 kann durch ein Steuersignal von der Steuerung geöffnet werden, um zu ermöglichen, dass das in der Versorgungseinheit 31 gespeicherte Dichtesteuergas an den Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 1 durch die Gasversorgungsleitung 32 in einer Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird.
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Der Anodeneinlass, mit dem die Gasversorgungsleitung 32 verbunden ist, kann die Brennstoffversorgungsleitung (Wasserstoffversorgungsleitung) 12 sein, die mit dem Anodeneinlass (Einlassverteiler) des Brennstoffzellenstapels 1 verbunden ist. Hierin muss die Brennstoffversorgungsleitung 12 so ausgelegt werden, dass sie einen Strömungsweg in dem zentralen Strömungsverteiler zum Zuführen von Brennstoff an den Brennstoffzellenstapel 1 und ein Brennstoffversorgungsrohr, das von der Wasserstoffspeichereinheit 11 zu dem zentralen Strömungsverteiler verbunden ist, in dem System umfasst, bei dem der zentrale Strömungsverteiler (nicht gezeigt) verwendet wird.
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Das heißt, die Gasversorgungsleitung 32 kann mit dem zentralen Strömungsverteiler, der angebracht ist, um mit dem Einlassverteiler des Brennstoffzellenstapels 1 in Verbindung zu stehen, verbunden werden, so dass die Gasversorgungsleitung 32 mit dem Brennstoffversorgungsströmungsweg in dem zentralen Strömungsverteiler oder dem Brennstoffversorgungsrohr, das von der Wasserstoffspeichereinheit 11 zu dem zentralen Strömungsverteiler verbunden ist, verbunden werden kann.
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In dieser Anordnung steuert/regelt die Steuerung den Betrieb des Ventils 33 während der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle, um das Dichtesteuergas an den Brennstoffzellenstapel 1 für eine vorgegebene Zeit (z. B. weniger als oder gleich einer Minute) zuzuführen. In diesem Zustand kann der Sauerstoff in der Zelle durch das zugeführte Dichtesteuergas verdünnt werden oder die Dichte des Sauerstoffes in den ganzen Zellen kann abgesenkt werden.
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Hierin kann die Steuerung eingerichtet sein, um das Dichtesteuergas an den Stapel 1 nur dann zuzuführen, wenn eine Inbetriebnahme nach einem Langzeitparken einer vorgegebenen Zeit oder länger durchgeführt wird. Das heißt, in der Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels bestimmt die Steuerung, ob eine vorgegebene Zeit seit der Brennstoffzellenabschaltung verstrichen ist, und falls die Steuerung bestimmt, dass die Inbetriebnahme nach dem Verstreichen der vorgegebenen Zeit (nach einem Langzeitparken) durchgeführt wird, steuert/regelt die Steuerung dann den Betrieb der Dichtesteuergaszuführung (das heißt, öffnet das Ventil für eine vorgegebene Zeit), um das Dichtesteuergas zuzuführen. Auf diese Weise kann die Steuerlogik konfiguriert werden.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, wird in der Brennstoffzellen-Inbetriebnahmevorrichtung und dem -Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Brennstoffzellen-Inbetriebnahmeprozess nach einem Langzeitparken das Dichtesteuergas wahlweise in die Brennstoffversorgungsleitung eigespeist, bevor ein Reaktionsgas aus Wasserstoff und Luft zugeführt wird, um mit dem anodenseitigen Gas in der Brennstoffversorgungsleitung und der Zelle zwangsweise vermischt zu werden, wodurch ein Gas mit gleichmäßiger Dichte geschaffen wird.
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Folglich ist es möglich, eine Konzentration einer Hochspannungserzeugung in der Zelle in der Nähe des zentralen Strömungsverteilers zu verhindern (die Konzentration der Hochspannungserzeugung in dem gesamten Stapel zu verteilen und abzuschwächen) und die Korrosion der Kathodenelektrode zu reduzieren.
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Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, ist der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die vorhergehende Ausführungsform beschränkt und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen, die durch einen Durchschnittsfachmann unter Verwendung des in den beigefügten Ansprüchen festgelegten Grundkonzepts der vorliegenden Erfindung gemacht werden, sind ebenfalls in dem Umfang der vorliegenden Erfindung umfasst.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenstapel
- 10
- Wasserstoffzufuhrvorrichtung
- 11
- Wasserstoffspeichereinheit
- 12
- Wasserstoffversorgungsleitung
- 13
- Wasserstoffzufuhrventil
- 14
- Regler
- 15
- anodenseitige Auslassleitung
- 16
- Wasserstoffrückführungsvorrichtung
- 17
- Wasserstoffrückführungsleitung
- 18
- Rückführungsgebläse
- 20
- Luftzufuhrvorrichtung
- 21
- Luftversorgungsleitung
- 22
- Luftgebläse
- 23
- Befeuchtungsvorrichtung
- 24
- Kathodenauslassleitung
- 31
- Versorgungseinheit
- 32
- Gasversorgungsleitung
- 33
- Ventil
