DE10392884T5

DE10392884T5 - Initieren des Betriebs eines durch eine Brennstoffzelle angetriebenen elektrischen Fahrzeugs oder einer anderen Last bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts

Info

Publication number: DE10392884T5
Application number: DE10392884T
Authority: DE
Inventors: Carl A. Stonington Reiser; Gennady South Windsor Resnick; Neil A. Ellington Popovich
Original assignee: UTC Fuel Cells LLC
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2005-07-14
Also published as: US20040001982A1; JP2006513528A; AU2003251632A1; WO2004004047A1; US6673481B1

Abstract

Verfahren zum Initiieren des Betriebs einer elektrischen Last (159), welche durch eine Stromerzeugungsanlage (150) angetrieben ist, die einen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapel (151) aufweist, von welchem mindestens ein Teil bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser ist, wobei der Stapel eine Mehrzahl von Zellen (12) und Wasserpassagen (96, 98) hat, die mit einem Wasserzirkulationssystem (164, 166, 168, 170) verbunden sind, um mindestens eines der Folgenden zu bieten: (i) Produktwasserentfernung, (ii) Kondensatentfernung, (iii) Befeuchtung der Reaktanten und (iv) Kühlung, wobei jede der Zellen eine Membranelektrodenanordnung (16) aufweist, die zwischen einer Anodenträgerplatte (17) und einer Kathodenträgerplatte (19) angeordnet ist, ein Brennstoffreaktantengas-Strömungsfeld (94) an einer Anodenseite der Zelle aufweist und ein Oxidationsmittelreaktantengas-Strömungsfeld (92) an einer Kathodenseite der Zelle aufweist, wobei das Verfahren aufweist:
(a) Überwachen (186) des von dem Stapel gelieferten Stroms und der Spannung (155, 156) über dem Stapel;
gekennzeichnet durch:
(b) Zurverfügungstellen von mindestens dem stöchiometrischen Erfordernis an Brennstoffreaktantengas...

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf den raschen Beginn des Betriebs eines durch eine Brennstoffzelle angetriebenen elektrischen Fahrzeugs bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts durch eines oder mehrere von: Zur-Verfügung-stellen eines Überschusses an Reaktantengas oder an kaltem Reaktantengas für den Protonenaustauschmembran (PEM)-Brennstoffzellenstapel, welcher die Last antreibt, z.B. ein Fahrzeugantriebssystem, Verbinden der Last mit dem Stapel innerhalb von 20 s bei Reaktantengasströmung oder wenn Spannung am offenen Schaltkreis detektiert wird, vorheriges Ablaufen-lassen von hydrophilen Trägerplatten, Verbinden des Kühlmittels erst nach ein paar Minuten oder wenn ausreichend Wasser geschmolzen ist.
Stand der Technik
Es herrscht allgemeine Übereinstimmung darüber, dass eine Schwierigkeit bei Verwendung von Brennstoffzellen zum Antrieb des Antriebssystems von elektrischen Fahrzeugen das Erfordernis ist, dass solche Fahrzeuge bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser betrieben werden können. Einfrieren verursacht potenziell mechanische Schäden infolge der Ausdehnung von Eis und verursacht Probleme aufgrund der Untrennbarkeit von Wasser und den Abläufen der Brennstoffzelle. Bisher haben sich verschiedene Verfahren zum Betriebsbeginn einer Brennstoffzelle vor dem Betrieb eines elektrischen Fahrzeugs darauf konzentriert, Wärme entweder durch Reaktion oder Verbrennung von Brennstoff oder durch Batterieleistung für verschiedene Wasser- und andere Kühlmittelleitungen und Ansammlungen bereitzustellen. Andere Bemühungen sind auf Prozesse gerichtet, welche ausgearbeitet wurden, um die Rate, mit der sich ein Brennstoffzellenstapel auf Temperaturen oberhalb des Gefrierpunkts erwärmt, infolge des eigenen Betriebs zu beschleunigen. In US-Patent 5 798 186 wird die Brennstoffzelle einfach dadurch erwärmt, dass eine Last über sie verbunden wird, während Brennstoff und Oxidationsmittel stöchiometrisch an den Stapel geliefert werden. In einem Experiment, bei welchem die Brennstoff-, Oxidationsmittel- und Kühlmittel-Wasserleitungen vor dem vorherigen Abschalten des Stapels befreit wurden, führte die Verwendung von Wasserstoff und Luft bei Raumtemperatur dazu, dass die Temperatur im Kern eines Stapels aus 10 Zellen innerhalb ca. 1 min von –11°C auf 0°C anstieg. Ein Stapel mit 4 Zellen, bei welchem nur die Reaktantenleitungen (und nicht die Kühlmittelleitungen) vor dem vorherigen Abschalten freigespült wurden, benötigten nach Beginn der Zirkulation von Wasserstoff und Sauerstoff und Verbinden einer 50 A-Last 5 min, um von –19°c auf 0°C anzusteigen. Kühlmittel wurde erst nach ca. 23 min nach dem Anfahren zirkuliert. In einem 4-Zellen-Stapel, bei welchem keine der Leitungen beim vorherigen Abschalten freigespült wurde, begann das Strömen von warmem Wasserstoff erst nach 4 min, und 12 min vergingen zwischen dem Anfahren bei –23°C und dem Erreichen von 0°C innerhalb des Kerns des Stapels von 4 Zellen. Im US-Patent 6 329 089 erreichten einzelne Brennstoffzellen, die bei –5°C mit Wasserstoff und Luft bei Raumtemperatur gestartet wurden, 0,5 A/cm² in 5 min. Ein Stapel mit 7 Zellen bei einer Kerntemperatur von –15°C erreichte mit einer Kurzschlusslast 0,5 A/cm² 9 min nach verlängertem Kurzschließen des Stapel-Outputs. Die Ergebnisse anderer Experimente waren weniger zufrieden stellend.
Zur Verwendung in Fahrzeugen, z.B. Automobilen, muss ein elektrisches Antriebssystem innerhalb weniger als 1 min, weniger als ½ min, nach Beginn des Anfahrens in Betrieb sein. Keine der vorangehenden sind in der Lage, Brennstoffzellen zu ermöglichen, welche bei Temperaturen unterhalb des Gefrier punkts betreibbar sind, insbesondere bei so niedrigen Temperaturen wie –40°C (–40°F).
Beschreibung der Erfindung
Aspekte der Erfindung umfassen: Betrieb bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts eines durch eine Brennstoffzelle angetriebenen elektrischen Fahrzeugs innerhalb von Sekunden nach Initiierung bzw. Beginn; verbesserte Initiierung des Betriebs von Brennstoffzellen-angetriebenen elektrischen Fahrzeugen bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts; Initiierung des Betriebs eines mit Brennstoffzellen betriebenen elektrischen Fahrzeugs bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts mit minimaler Verschwendung an für das Erhöhen der Temperatur von Geräten und/oder Fluiden verwendeter Leistung; Vermeiden des Erfordernisses für Wärmetauscher und anderer Geräte zur Erwärmung von Reaktanten oder Kühlmitteln auf oberhalb des Gefrierpunkts; und Vermeiden der Verwendung von Batterieleistung zum Start einer Brennstoffzelle zum Antrieb eines Fahrzeugs.
Diese Erfindung gründet auf der Entdeckung, dass das Antriebssystem eines durch eine PEM-Brennstoffzelle angetriebenen Fahrzeugs von der Brennstoffzelle angetrieben werden kann, während der Brennstoffzellenstapel gefroren ist. Diese Erfindung gründet ferner auf der Entdeckung, dass – im Gegensatz zur Meinung im Stand der Technik – überflüssige Reaktanten und nicht Reaktantenentzug den ausgedehnten Betrieb des Brennstoffzellenstapels ermöglichen in Abhängigkeit der Fähigkeit, Wasser durch den Stapel strömen zu lassen. Diese Erfindung gründet ferner auf der Entdeckung, dass eine hohe Strömung an kalten Reaktantengasen durch das Reaktantenströmungsfeld nicht ausreichend ist, das Einfrieren von Produktwasser zu verursachen, wobei die in der Membranelektrode erzeugte Wärme ausreichend ist und ausreichend nahe an den Reaktantenströmungsfeldern ist, um das Einfrieren von Produktwasser oder Wieder-Einfrieren von geschmolzenem Wasser zu verhindern.
Diese Erfindung gründet auch auf der Entdeckung, dass der Brennstoffzellenbetrieb ohne Leistungsverlust oder Schaden für die Zellen während eines Anfahrens im gefrorenen Zustand verlängert werden kann durch Zurverfügungstellen von mindestens einem der Reaktantengase bei einem Druck, welcher über dem Druck von jeglichem im Stapel befindlichen Wasser liegt, welcher vor dem Betrieb eines Wasserzirkulationssystems üblicherweise Atmosphärendruck ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein PEM-Brennstoffzellenstapel bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts mit einem Fahrzeugantriebssystem oder einer anderen Last innerhalb von ein paar Sekunden oder sobald der Stapel Spannung am offenen Schaltkreis liefert, verbunden. Erfindungsgemäß wird der Brennstoffzellenstapel mit einer größeren als der stöchiometrischen Strömung von Brennstoff und mit mindestens stöchiometrischer Strömung, aber vorzugsweise zwei- bis fünffacher stöchiometrischer Strömung von Oxidationsmittel gestartet, welche bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts sein können oder nicht, wodurch der Betrieb ohne örtliches Erwärmen verlängert wird, was die Verwendung des Fahrzeugs (oder einer anderen Last) während der Zeit ermöglicht, in welcher die Vorrichtung und die Fluide auf geeignete Betriebstemperaturen erwärmt werden. Diese Erfindung ermöglicht nicht nur, sondern bevorzugt, den Betrieb mit Reaktanten, welche bei der gleichen Umgebungstemperatur unterhalb des Gefrierpunkts sind, wie der Brennstoffzellenstapel selbst, im Gegensatz zu der Verwendung im Stand der Technik, da diese das Eintreten von örtlicher Überhitzung hinauszögert.
Weiterhin wird erfindungsgemäß in Systemen, welche poröse Wassertransportplatten zum Wassermanagement verwenden, die Zeitspanne, nach welcher das Fahrzeug mit Leistung vom Brennstoffzellenstapel betrieben werden kann, ohne Kühlmittel zu zirkulieren, bevor es unerlaubtes örtliches Erwärmen innerhalb der Brennstoffzelle gibt, durch Erwärmen des als Eis in den Poren der Wassertransportplatten gespeicherten Wassers weiter verlängert, indem die Masse des Stapels wie auch das Wasser erwärmt wird, die Fusionswärme beim Schmelzen des Eises und die Verdunstungskälte von einem Teil des Wassers.
Weiter wird erfindungsgemäß zumindest ein Teil der Reaktantengase dem Brennstoffzellenstapel bei einem Druck von mindestens etwa 4 kPa (0,6 psi) oberhalb des Drucks von jeglichem Wasser in den Wasserkanälen, welcher typischerweise ungefähr atmosphärischer Druck ist, zur Verfügung gestellt. Dies verhindert das Ansammeln von flüssigem Wasser in den Reaktantenkanälen und Überfluten der Elektrodensubstrate, was besonders wichtig ist in Oxidationsmittelgas-Reaktantenkanälen, wo sich Produktwasser ansammeln kann.
Prinzipielle Aspekte der vorliegenden Erfindung umfassen das Starten einer elektrischen Last, z.B. eines Fahrzeugs oder einer anderen Last, deren Brennstoffzellenstapel bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist, bevor man abwartet, dass der Brennstoffzellenstapel die normale Betriebstemperatur erreicht, indem die Brennstoffzelle mit mindestens der zweifachen stöchiometrischen Menge an Oxidationsmittel versorgt wird und im Wesentlichen leere hydrophile Trägerplatten für temporäre Produktwasserspeicherung verwendet werden, wodurch die Brennstoffzelle ohne zirkulierendes Kühlmittel bis zu dem Zeitpunkt arbeiten kann, an welchem alle Wassersysteme funktionsfähig sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine vereinfachte Seitenschnittansicht von etwas mehr als einer Brennstoffzelle, welche Teil eines Stapels sein kann, mit welcher die vorliegende Erfindung ausgeführt werden kann.
2 ist eine vereinfachte Seitenschnittansicht einer Alternative zu der in 1 gezeigten.
3 ist eine vereinfachte Seitenschnittansicht einer weiteren Alternative zu der in 1 gezeigten.
4 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugmotor-Antriebssystems, einschließlich eines Brennstoffzellenstapels, durch welchen es angetrieben wird, bei welchem die vorliegende Erfindung ausgeführt sein kann.
5 ist eine Kurve der Brennstoffzellenstapelspannung und -temperatur in Abhängigkeit der Zeit während des Anfahrens eines Fahrzeugs bei –20°C.
6 ist eine Kurve der Brennstoffzellenstapelspannung in Abhängigkeit der Zeit während eines Anfahrens bei –20°C, wobei der Druck der Reaktantengase gleich dem Druck des Wassers in den Wasserkanälen (-leitungen) ist.
7 ist eine Kurve der Brennstoffzellenstapelspannung in Abhängigkeit der Zeit während eines Anfahrens bei –20°C, wobei der Druck der Reaktantengase relativ zum Druck des Wassers in den Wasserkanälen ein Überdruck ist.
Art(en) der Ausführung der Erfindung
Die Erfindung kann mit einer großen Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln verwendet werden, mit Brennstoffzellen in verschiedenen Anordnungen.
Bezug nehmend auf 1 wird eine Schnittansicht einer typischen Brennstoffzelle 12 gezeigt, welche eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 16, eine Anodenträgerplatte 17 und eine Kathodenträgerplatte 19 aufweist.
Die MEA 16 umfasst eine Polymerelektrolytmembran („PEM") 70, einen Anodenkatalysator 72 und einen Kathodenkatalysator 74. Der Anodenkatalysator 72 und Kathodenkatalysator 74 sind auf entgegengesetzten Seiten der PEM 70 befestigt.
Die Anodenträgerplatte 17 und Kathodenträgerplatte 19 kann hydrophobe Diffusionsschichten 76, 78 und hydrophile Substratschichten 80, 82 aufweisen. Die Anodendiffusionsschicht 76 ist benachbart einer Seite des Anodenkatalysators 72, und die Anodensubstratschicht 80 ist benachbart der Anodendiffusionsschicht 76 auf der anderen Seite des Anodenkatalysators 72. Die Anodendiffusionsschicht 76 und die hydrophile Anodensubstratschicht 80 ermöglichen, dass Brennstoffreaktantengas, welches durch eine Passage 94 in einer Wasser transportplatte 84 strömt, und Wasser, welches durch eine Passage 96 strömt, den Anodenkatalysator 72 erreichen können. Im Allgemeinfall können Wasserpassagen benachbart zu der Platte sein, welche die Reaktantengaspassagen aufweist. Die Brennstoffzelle 12 umfasst ebenfalls eine hydrophobe Kathodendiffusionsschicht 78 und eine hydrophile Kathodensubstratschicht 82, welche ermöglichen, dass das Oxidationsmittel-Reaktantengas durch eine Passage 92 in einer Wassertransportplatte 86 strömen, um den Kathodenkatalysator 74 zu erreichen. Die Kathodendiffusionsschicht ist benachbart zu einer Seite des Kathodenkatalysators 74 und die Kathodensubstratschicht 82 ist benachbart zur Kathodendiffusionsschicht 78 gegenüber dem Kathodenkatalysator 74. Die hydrophobe Kathodendiffusionsschicht 78 und hydrophile Kathodensubstratschicht 82 ermöglichen auch, dass Produktwasser, welches sich im Kathodenkatalysator 74 bildet, in Richtung der Wassertransportplatte 86 wandert.
Die Diffusionsschichten 76, 78 werden sowohl auf die Anoden- als auch Kathodensubstratschicht 80, 82 innerhalb der Anodenträgerplatte 17 bzw. Kathodenträgerplatte 19 aufgebracht, durch in der Technik bekannte Verfahren. Ein Verfahren ist im US-Patent Nr. 4 233 181 beschrieben. Die Diffusionsschichten 76, 78 werden typischerweise aus porösen, leitenden Schichten erstellt, welche hydrophob oder teilweise hydrophob gemacht werden mittels eines hydrophoben Polymers.
Wie in 1 gezeigt, ist die Anodenwassertransportplatte 84 zur Anodenträgerplatte 17 und die Kathodenwassertransportplatte 86 benachbart zur Kathodenträgerplatte 19. Die Anoden- und Kathodenwassertransportplatte 84, 86 kann strukturiert und/oder ausgerichtet sein, um mit den benachbarten Wassertransportplatten 88, 89 zu kooperieren, so dass die Passagen 96 bzw. 98 gleichzeitig als Kühlmittelstrom für sowohl die Anode einer Zelle und Kathode der nächsten Zelle dienen.
Die Wassertransportplatten 84, 86, 88, 89 sind typischerweise poröser Graphit mit einer mittleren Porengröße von etwa zwei (2) bis drei (3) Mikrometer und einer Porosität von 35% bis 40%. Es ist bevorzugt, Wassertransportplatten 84, 86, 88, 89 durch Behandlung mit Zinnoxid (SnO₂) hydrophil zu machen, wie im US-Patent Nr. 5 840 414 beschrieben, welches von der Inhaberin der vorliegenden Erfindung gehalten wird und hiermit durch Bezugnahme mit aufgenommen wird.
Die hydrophile, poröse Eigenschaft der Kathodenwassertransportplatte 86 zusammen mit einer negativen Druckdifferenz zwischen dem Kühlmittel und den Oxidationsmittel-Reaktantengasströmen stellt ein geeignetes Entfernen von Produktwasser sicher, welches an der Kathode gebildet wird. Genau gesagt, fließt Wasser von der Kathodenträgerplatte 19 durch die Wassertransportplatte 86 in die Kühlmittelpassage 98. Ebenfalls versorgt die Anodenwassertransportplatte 84 die Anodenträgerplatte 17 mit einer kontinuierlichen Menge an Wasser, welches schließlich die PEM erreicht und ihr Austrocknen verhindert.
Bezug nehmend auf 2 wird eine alternative Ausführungsform der Brennstoffzelle 12'' gezeigt. Die Brennstoffzelle 12'' in 2 unterscheidet sich von der Brennstoffzelle 12 in 1 darin, dass die Anodenträgerplatte 17'' von 2 eine hydrophile Substratschicht 108 umfasst, aber keine Diffusionsschicht umfasst. Eine Diffusionsschicht auf der Anodenträgerplatte nicht zu verwenden steigert die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle weiter durch Entfernen sämtlicher hydrophoben oder teilweise hydrophoben Hindernisse des Transports von flüssigem Wasser von der Anodenwassertransportplatte 84 zum Anodenkatalysator 72.
Bezug nehmend auf 3 wird eine weitere alternative Ausführungsform 12b einer Brennstoffzelle gezeigt, welche mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann und ineinander greifende Reaktantenpassagen 110, 112 innerhalb der Substratschichten 100', 102' anstatt in den Wassertransportplatten 138, 140 hat, wodurch ermöglicht wird, dass Reaktantengasströme direkt in und durch die Substratschicht strömen, anstatt erst in die Kanäle (Leitungen) in der Wassertransportplatte einzuströmen. Genauer gesagt sind die Substratschichten 100', 102' so ausgerichtet, dass die Passagen 110, 112 benachbart der flachen, porösen Wassertransportplatte 138 bzw. 140 sind. Weil die ineinander greifenden Passagen 110, 112 innerhalb der Substratschichten 100', 102' und nicht in den Wassertransportplatten 138, 140 sind, sind die Wassertransportplatten 138, 140 auf der Seite, welche zur Anoden- bzw. Kathodenträgerschicht 17, 19' benachbart sind, flach. Die entgegengesetzte Seite der Wassertransportplatten 138, 140 haben jedoch Kühlmittelpassagen 134. Außerdem sind die Transportplatten 138, 140 immer noch porös und ermöglichen, dass Wasser da hindurch gelangt. Obwohl es nicht gezeigt ist, ist es möglich, dass die Ausrichtung der Substratschichten 100', 102' umgekehrt wird, so dass die Passagen 110, 112 benachbart zu den Diffusionsschichten 104, 106 sind. Ob die Reaktantengas-Passagen eine konventionelle oder Serpentinen-Durchströmungskonfiguration oder eine ineinander greifende Konfiguration haben, umfassen die Wassertransportplatten zusätzliche Rillen auf ihrer gegenüber liegenden Seite. Wenn diese gegenüber liegende Seite an eine weitere Wassertransportplatte oder an eine andere Platte stößt, dienen diese Rillen als Passagen, durch welche die Kühlmittelströmung strömen kann. Wenn außerdem die Anoden- und Kathodenwassertransportplatten aneinander stoßen und diese Rillen in Übereinstimmung sind, bilden diese Rillen gemeinsam eine einzige Kühlmittelströmungspassage, welche als Wassertransportplatte für sowohl die Anode einer Zelle als auch die Kathode einer benachbarten Zelle dient.
Der Brennstoffzellenstapel kann feste Separatorplatten zwischen Brennstoffzellen haben, welche zwischen der Anodenwassertransportplatte 84, 89 und der Kathodenwassertransportplatte 86, 88 sind. Alternativ kann jede Zelle von einer benachbarten Zelle durch feste Separatorplatten mit darin gebildeten Kühlmittelkanälen getrennt sein, wie in der US-Patentanmeldung mit Seriennummer 10/036 181, eingereicht am 28. Dezember 2001. Die Kühlmittelkanäle würden ähnlich angeordnet sein, etwa an jeder vierten Brennstoffzelle, zwischen einer Anoden-Wassertransportplatte, z.B. einer der Platten 84, 89, und einer Kathoden-Wassertransportplatte, z.B. einer der Transportplatten 86, 88 einer benachbarten Brennstoffzelle. Im Fall, dass die Kühlmittelplatten zwischen benachbarten Zellen oder gelegentlich im Stapel verteilt sind, kann das Kühlmittel darin entweder eine Frostschutzlösung oder Wasser sein. Im üblichen Fall bei Verwendung von separaten Kühlmittelkanälen kann typischerweise Frostschutzmittel verwendet werden, um die Handhabung des Kühlmittels bei Klimabedingungen zu vereinfachen, welche unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser sind.
Es gibt weitere Anordnungen, welche in der US-Patentanmeldung mit Seriennummer 09/733 133, angemeldet am 8. Dezember 2000, veröffentlicht sind, mit welchen die Erfindung verwendet werden kann.
Die Erfindung kann auch in Brennstoffzellen mit passivem Wassermanagement verwendet werden, z.B. die in der genannten Anmeldung mit Seriennummer 10/036 181 veröffentlichten, in welchen die Enden der Wasserkanäle benachbart zu den entsprechenden Reaktantengas-Einlassverzweigungssystemen in einer Sackgasse enden, und die anderen Ende der Wasserkanäle überschüssiges Wasser in ein verwandtes Reaktantengas-Auslassverzweigungssystem ableiten.
Zusätzlich können andere Typen von Brennstoffzellen, welche keinerlei Wassertransportplatten verwenden, welche sich auf externe Befeuchtung der Reaktantengase vor dem Eintritt in die Strömungsfelder des Brennstoffzellenstapels verlassen und welche darauf basieren, dass Produktwasser von dem Stapel durch die Oxidationsmittel-Reaktantengasströmung weggetragen wird, ebenfalls Aspekte der vorliegenden Erfindung nutzen. Beispiele für diesen Typ Brennstoffzelle sind US-Patent Nr. 6 117 577 an Wilson, wie auch US-Patente 5 366 818 und 5 773 160 an Wilkinson et al.
Bezug nehmend auf 4 weist ein Fahrzeug 150 einen Brennstoffzellenstapel 151 auf, welcher eine Mehrzahl von benachbarten Brennstoffzellen aufweist, von denen nur eine in 4 gezeigt ist. Der Elektro-Output am positiven und negativen Anschluss des Brennstoffzellenstapels 151 wird durch ein paar Leitungen 155, 156 durch einen Schalter 158 mit einem Fahrzeugantriebssystem 159 verbunden. Der Output wird ebenfalls durch einen Schalter 160 mit einer Hilfsheizung 161 in einem Speicher 184 eines Wasserzirkulationssystems verbunden, wobei der Speicher eine Entlüftung 165 hat. Das Wasserzirkualtionssystem kann ein Einstellungsventil 166, Wasserpassagen, z.B. jene in den Wassertransportplatten 84, 86, 88, 89, einen Kühler und Gebläse 168, 169, welches selektiv zum Kühlen von im System zirkulierendem Wasser betrieben werden kann und eine Wasserpumpe 170 aufweisen. Luft aus der näheren Umgebung bei einem Einlass 173 wird durch eine Pumpe, z.B. ein Gebläse 174, zu den Oxidationsmittelreaktantengas-Strömungsfeldern der Kathode 19 und dann durch ein Druck regulierendes Ventil 175 zum Auslass 176 gebracht. Wasserstoff wird von einer Quelle 179 durch ein Druck regulierendes Ventil 180 zu den Brennstoffreaktantengas-Strömungsfeldern der Anode 17 und dann durch ein Druck regulierendes Ventil 181 zum Auslass 182 gebracht. Ein Brennstoffwiederverwertungskreislauf umfasst eine Pumpe 183.
Eine Steuerung 185 reagiert in Erwiderung auf Laststrom, welcher durch einen Stromdetektor 186 gemessen wird, wie auch auf die Spannung an den Leitungen 155, 156; die Temperatur des Stapels kann ebenfalls über eine Leitung 187 geliefert werden. Die Steuerung wiederum kann das Ventil 180 über eine Leitung 189 wie auch die anderen Ventile, die Schalter 158, 160 und die Pumpen 174, 170 steuern, wie in 4 gezeigt.
Die Steuerung 185 spricht an auf Start- und Geschwindigkeitskontrollsignale vom Fahrzeugantriebssystem 159 über Leitungen 193 und 194, welche anzeigen, wenn die Brennstoffzelle den Betrieb beginnen soll und wie viel Leistung von dem Fahrzeugantriebssystem verlangt wird.
Es wird angenommen, dass das Fahrzeugantriebssystem in einem Zustand gestartet wird, in welchem zumindest ein Teil des Brennstoffzellenstapels 151 unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser ist. In diesem Fall kann das gesamte Fahrzeug in einer Umgebung sein, welche unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser ist. Für die folgende Erklärung wird ferner angenommen, das im Wesentlichen sämtliches Wasser aus den porösen Trägerplatten und Reaktantengasströmungsfeldern im Brennstoffzellenstapel entfernt wurde, welches gemäß einem Verfahren erreicht werden kann, das in der am 5. April 2001 angemeldeten US-Patentanmeldung mit Seriennummer 09/826 739 beschrieben ist. Daher ist wahrscheinlich Eis in der PEM, in der Anoden- und Kathodenkatalysatorschicht, wie auch in den Poren der Wassertransportplatte vorhanden. Es sollte jedoch berücksichtigt werden, dass die Wassertransportplatten selber Eis in den Poren enthalten können, ohne dass die Wassertransportplatten beschädigt werden, wie es bei der PEM der Fall ist. Außerdem sind die Substrate 80, 82 (1) ausreichend nahe der PEM selbst (wie in 1 gezeigt), das die Temperatur des in die Substrate verbrachten Wassers sehr eng der Temperatur der PEM und nicht der Temperatur der Reaktantengase selbst folgt. Obwohl die Wassertransportplatten in ihren Poren Eis haben, friert das Produktwasser in den Substraten aufgrund der transienten Wärmeübertragungseigenschaft der Zelle nicht; dies ist ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Erfindungsgemäß bewirken bei Senden eines Startsignals vom Fahrzeugantriebssystem 159 über die Leitung 193 zur Steuerung 185 Signale von der Steuerung, dass die Ventile 180, 181 und die Pumpe 183 geeignet betrieben werden, um Brennstoffreaktantengas in die Strömungsfelder der Anode 17 zu bringen, und das Ventil 175 und die Pumpe 174 werden entsprechend betrieben, um Umgebungsluft zu den Strömungsfeldern der Kathode 19 zu bringen. Anfänglich wird mehr als eine stöchiometrische Menge an Wasserstoff basierend auf der Stromdichte während des Anfahrens zur Anode 17 gebracht. Gleichermaßen wird anfänglich mindestens das Zweifache der stöchiometrischen Luft geliefert; bevorzugt wird eine Menge bis zum Fünffachen des stöchiometrischen Erfordernisses anfänglich geliefert. Je mehr Luft bereitgestellt wird, desto gleichförmiger ist die Stromverteilung unter den verschiedenen Zellen des Stapels 151.
Wenn Brennstoff und Luft in ausreichender Menge den Zellen zur Verfügung gestellt wurden, wird eine Spannung an der offenen Schaltung an den Leitungen 115, 156 durch die Steuerung 185 detektiert. Zu diesem Zeitpunkt, welcher in 5 bei Punkt 197 dargestellt ist, schließt die Steuerung 158, um den Brennstoffzellenstapel 151 mit dem Fahrzeugantriebssystem 159 zu verbinden. Optional kann die Steuerung 185 ebenfalls den Schalter 160 zur gleichen Zeit schließen, um den Brennstoffzellenstapel mit einer Hilfslast zu verbinden, welche Heizung 161 im Speicher 164 umfassen kann, welche beginnt, einen Teil des Eises im Speicher 164 zu schmelzen. Wenn der Brennstoffzellenstapel Leistung an die Lasten liefert, bewirkt durch die Reaktionen innerhalb des Brennstoffzellenstapels erzeugte Wärme, dass die Brennstoffzellenstapelmaterialien und das Eis beginnen, sich zu erwärmen, in der mit 198 bezeichneten Zeitspanne in 5.
Wenn die Temperatur des Stapels etwa 0°C (32°F) in dem mit 199 in 5 bezeichneten Bereich von Zeiten reicht, wird die im Stapel erzeugte Wärme als Schmelzwärme des Eises innerhalb des Stapels absorbiert, wobei im Wesentlichen das sämtliche Eis in den Wassertransportplatten ist. Tatsächlich können die Wassertransportplatten bis zu 10 oder 20 Mal so viel Eis wie die PEM haben, wodurch die Temperatur des Stapels bei 0°C bis zu fast 3 min nach dem Anfahren bleibt, in Abhängigkeit des Leistungsniveaus. Nach etwa 2½ min, bei einem mit 202 in 5 bezeichneten Punkt, wird durch Betrieb des Stapels erzeugte Wärme als aufgenommene Wärme durch die Materialien des Stapels und des Wassers innerhalb des Stapels aufgenommen. Beginnend an einem mit 203 in 5 bezeichneten Punkt beginnt dann ein Verdunstungskühlen stattzufinden.
Obwohl die Luft und der Wasserstoff, welche in den Stapel gebracht werden, sehr kalt sein können, sogar unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser, erwärmen sich die Gase beim Strömen durch die Strömungsfelder rasch und beginnen nach ca. 3½ min (beim Punkt 203), Produktwasser und Wasser in den Wassertransportplatten in die Gasströme zu verdampfen, wodurch der Zellenstapel gekühlt wird. Während der gesamten anfänglichen Zeitspanne, in welcher der Zellenstapel in Betrieb ist, bis zu etwa 7½ min in 5, mit dem mit 204 bezeichneten Punkt, wird der Stapel durch Luft und hauptsächlich durch Verdunstung gekühlt, um exzessives örtliches Erwärmen an irgendeinem Punkt innerhalb des Stapels zu verhindern. Beim Punkt 204, etwa 7½ min nach Beginn der Stapelbetriebs, gibt es typischerweise ausreichend flüssiges Wasser im Speicher 164, um das Wasserzirkualtionssystem zu füllen, vom Tank durch das Ventil 166 durch die Wassertransportplatten durch den Kühler 168, die Pumpe 170 und zurück zum Speicher 164, welche alle mit Wasser gefüllt werden können. Obwohl es sein kann, dass es nicht ausreichend Wasser gibt, um sämtliches Eis im Speicher 164 zu diesem Zeitpunkt zu ersetzen, ist dies jedoch nicht notwendig. Daher kann die Zirkulation von im Wasserzirkualtionssystem strömenden Wasser einschließlich der Wasserpassagen im Zellenstapel am Punkt 204 beginnen. Danach findet Flüssigkeitskühlung des Zellenstapels wie bei normalem Betrieb statt.
Gemäß der Erfindung ist es wichtig, anzumerken, dass das Fahrzeug innerhalb von etwa 15 s nach Beginn der Strömung von Reaktantengasen im Stapel in einen Betriebszustand versetzt wurde; der Stapel wurde in einem ausreichend kühlen Zustand durch die Schmelzwärme des schmelzenden Eises in den Wassertransportplatten durch das Erwärmen der Masse des Stapels und des Wassers und durch Verdunstung von Wasser von den Wassertransportplatten in die Reaktantengase, insbesondere in das Oxidationsmittelreaktantengas (Luft) gehalten.
In einem bekannten Typ PEM-Brennstoffzelle wird das Wasser durch poröse Wassertransportplatten gehandhabt, und durch Rezirkulieren des Wassers durch eine Engstelle wird bewirkt, dass das Wasser bei zwischen 7 und 21 kPa (1 bis 3 psi) unterhalb des Drucks der Reaktanten ist, welche typischerweise auf Umgebungsdruck eingestellt sind. Dies gewährleistet, dass sich Wasser nicht in den Reaktantengaskanälen ansammelt, dass Wasser in die Wasserkanäle gedrückt wird und dass die hydrophilen Substrate nicht überflutet werden und ausreichend offene Porosität haben, um Reaktantendiffusion zu ermöglichen. Wenn jedoch Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts angetroffen werden, wird Wasser in den Reaktantenkanälen, Kühlmittelkanälen, der Wasserpumpe und anderen Leitungen des Wasserzirkulationssystems bei Abschalten des Brennstoffzellensystems abgelassen; beim Fahren gibt es kein zirkulierendes Wasser, so dass ein negativer Druck in den Wasserkanälen nicht aufrechterhalten werden kann. Daher kann sich Kühlmittel in den Reaktantenkanälen aufbauen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird Wasseransammlung in den Reaktantenströmungsfeldern vor dem Betrieb des Wasserzirkualtionssystems vermieden durch Unterdrucksetzen der Reaktantenströmungsfelder in der anfänglichen Phase des Anfahrens.
In 4 kann das Unterdrucksetzen des Oxidationsmittels erreicht werden, indem die Steuerung das Ventil 175 schließt, um die Strömung auf ein Maß zu beschränken, welches unterhalb dessen ist, das während des normalen Betriebs stattfindet, und das Unterdrucksetzen des Brennstoffreaktantengases kann erreicht werden, indem die Steuerung die Einstellung der Ventile 180, 181 geeigneterweise ausgleicht, so dass der Druck der Brennstoffreaktantengase mindestens 4 kPa (0,6 psi) und vorzugsweise 4 bis 21 kPa (0,6 bis 3 psi) über dem Druck in den Wasserkanälen ist. Die Druckunterschiede werden zwischen den Reaktantenauslassverzweigungssystemen und dem Wassereinlassverzweigungssystem des Stapels gemessen.
6 und 7 zeigen die Spannung in Abhängigkeit der Zeit nach einem Anfahren bei –20°C (–4°F) bei einer Stromdichte von 300 mA/cm². In 6 sind beide Reaktantengase bei Umgebungsdruck. Es gibt keinen Druckunterschied zwischen den Reaktantengaskanälen und dem Wasser in den Wasserkanälen. Bezug nehmend auf 6 ist die Zellenspannung pro Zelle relativ konstant, nach etwa 120 s (2 min), nimmt dann beginnend bei 480 s (8 min) leicht zu und beginnt bei etwa 540 s (9 min) abzunehmen und hat eine negative Steigung in Bezug auf die Zeit. Die Abnahme der Spannung bei 540 s (9 min) ist ein Zeichen für die Zeit, bei welcher aufgrund von Überfluten Luft den Kathodenkatalysator nicht erreichen kann und die Leistung daher reduziert ist. Dies weist darauf hin, dass ohne Druckunterschied zwischen Reaktanten und Wasser diese spezielle Zelle eines Brennstoffzellenstapels für etwa 9 min ohne jegliche Probleme betrieben wurde.
In 7 ist nach etwa 2 min die Spannung im. Wesentlichen konstant bis etwa 800 s (13 min 20 s) als Folge, dass die Reaktantengase bei einem Druck von 4 kPa (0,6 psi) oberhalb des Drucks von Wasser in den Wasserkanälen in Betrieb sind. Gemäß der Erfindung wird somit durch Betrieb der Brennstoffzellen mit ausreichend hohem Reaktantengasdruck, um das Wasser beim Strömen durch die porösen Platten benachbart zu den Trägerplatten zu unterstützen, die Zeit, in welcher die Brennstoffzelle ohne verschlechterte Leistung und ohne aktives Wassermanagement und ohne zirkulierendes Kühlmittelwasser betrieben werden kann, von 9 min auf 13 min und 20 s erhöht, welches eine Verbesserung von 4 min und 20 s ist, eine Verbesserung von etwa 32%. Die Erfindung kann verwendet werden, wenn eine Wassertransportplatte benachbart zu nur einer der Trägerplatten ist; die Erfindung kann verwendet werden, wenn Druckunterschiede zwischen Reaktanten und Wasser höher als und etwas geringer als 4 kPa (0,6 psi) sind; und die Erfindung kann in Brennstoffzellen verwendet werden, welche elektrische Fahrzeuge oder andere Lasten antreiben, wobei die Zellen eine Anzahl verschiedener Anordnungen haben. Ein paar Minuten nach Beginn des Betriebs, wenn die Steuerung 185 eine Verringerung der Spannung über die Brennstoffzellen-Outputleitung 155, 156 misst, schaltet sie die Pumpe 170 an und stellt das Ventil 166 ein, dass es eine ausreichende Verringerung gibt, um das Kühlmittelwasser bei einem Druck von 4 bis 21 kPa (0,6 bis 3 psi) unterhalb des Drucks der Reaktanten betreiben.
Die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung können vorteilhaft verwendet werden, falls angebracht, einzeln oder in Kombination mit weniger als sämtlichen Aspekten der Erfindung, und können verwendet werden, um Lasten anzutreiben, welche gewählt sind aus einem Antriebssystem eines Elektrofahrzeugs oder anderen elektrischen Lasten.
Es gibt einen Unterschied zwischen der Spannungseigenschaft in 6, bei welcher die Spannung beginnt, bei etwa 9 min eine negative Steigung zu haben, und der in 5 dargestellten Spannung, welche beginnt, eine negative Spannung bei etwa gerade etwas über 7 min zu haben. Dies liegt an der Tatsache, dass die Last an der Zelle bei Erhalt der Daten von 5 höher war als bei Erhalt der Daten von 6.
In einer typischen Situation kann die Hilfslast 161 so gebildet werden, dass sie zwischen etwa 20% und etwa 40% der Nennleistung des Stapels zieht. Die „Nennleistung" ist der maximale durchschnittliche Leistungs-Output einer Vorrichtung. Falls gewünscht, können Hilfslasten verwendet werden, welche nicht innerhalb des Speichers 164 sind, sondern beispielsweise auf oder in Leitungen, innerhalb des Stapels selber, oder andere. Es ist jedoch praktisch, sämtliche erzeugte Leistung auf eine Weise zu nutzen, welche die Fähigkeit, das Fahrzeug (oder andere Endlast) innerhalb von Sekunden von Reaktantengasströmung zu starten, verbessert und es anzutreiben, ohne die Brennstoffzelle durch Überhitzen zu gefährden, bis zu dem Zeitpunkt, bei welchem Kühlmittelzirkulation beginnen kann.
Obwohl das Beispiel hier dargestellt ist mit Brennstoffzellen, welche Wassertransportplatten benachbart zu sowohl der Anoden als auch der Kathode hat, kann die Erfindung mit Wassertransportplatten durchgeführt werden, welche benachbart zu nur einer der Elektroden sind. In dem vorliegenden Beispiel sind beide Trägerplatten zumindest teilweise hydrophil und möglicherweise vollständig hydrophil. Andererseits kann die Erfindung auch verwendet werden, wenn die Trägerplatten teilweise oder vollständig hydrophob sind, um die Gasströmung da hindurch zu verbessern. Ein Aspekt der Erfindung ist die Fähigkeit, ein Fahrzeug fast sofort nach Einführen der Reaktantengase zu starten, während man Reaktantengase verwendenden kann, welche unterhalb der Temperatur des Gefrierpunkts von Wasser sein können. Die Erfindung kann jedoch auch durchgeführt werden unter Verwendung von Gasen oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser, obwohl mindestens ein Teil des Stapels unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser sein kann.
Die Erfindung hat einen prinzipiellen Wert bei Betrieb durch PEM-Brennstoffzellenstapelanordnungen angetriebenen elektrischen Fahrzeugen; sie kann jedoch offensichtlicherweise auch mit anderen Lasten außer Fahrzeugantriebssystemen verwendet werden.
Zusammenfassung
Ein Fahrzeug (150) umfasst einen Brennstoffzellenstapel (151), der gestartet wird, wenn der Stapel unterhalb des Gefrierpunkts ist, durch Verbinden mit dem Fahrzeugantriebssystem (159) innerhalb weniger Sekunden nach Start der Strömung von Brennstoff (179) und Oxidationsmittel (173) oder wenn Spannung am offenen Schaltkreis (155, 156) detektiert wird. Der Brennstoff ist über das stöchiometrische Erfordernis hinaus vorhanden, und das Oxidationsmittel ist über das mindestens Zweifache des stöchiometrischen Erfordernisses vorhanden, einer von beiden kann bei etwa Umgebungsdruck oder bei 4 kPa (0,6 psi) oder mehr über dem Druck von jeglichem Wasser in den Wasserpassagen sein, und jedes kann unterhalb des Gefrierpunkts sein. Wassertransportplatten (84, 86, 88, 89) haben Wasserpassagen, welche mit einem Wasserzirkulationskreislauf (170) verbunden sind, welcher einen Speicher (164) aufweist, mit einer Hilfsheizung (161), welche mit dem Stapel verbunden ist (160). Erwärmen der Materialien des Zellenstapels und von Eis in den Wassertransportplatten, Schmelzwärme des schmelzenden Eises, Erwärmen des schmelzenden Wassers und Verdunstungskühlung des in den Wassertransportplatten geschmolzenen Wassers hält die Brennstoffzelle kühl, bis flüssiges Kühlmittel zirkuliert werden kann.

Claims

Verfahren zum Initiieren des Betriebs einer elektrischen Last (159), welche durch eine Stromerzeugungsanlage (150) angetrieben ist, die einen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapel (151) aufweist, von welchem mindestens ein Teil bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser ist, wobei der Stapel eine Mehrzahl von Zellen (12) und Wasserpassagen (96, 98) hat, die mit einem Wasserzirkulationssystem (164, 166, 168, 170) verbunden sind, um mindestens eines der Folgenden zu bieten: (i) Produktwasserentfernung, (ii) Kondensatentfernung, (iii) Befeuchtung der Reaktanten und (iv) Kühlung, wobei jede der Zellen eine Membranelektrodenanordnung (16) aufweist, die zwischen einer Anodenträgerplatte (17) und einer Kathodenträgerplatte (19) angeordnet ist, ein Brennstoffreaktantengas-Strömungsfeld (94) an einer Anodenseite der Zelle aufweist und ein Oxidationsmittelreaktantengas-Strömungsfeld (92) an einer Kathodenseite der Zelle aufweist, wobei das Verfahren aufweist: (a) Überwachen (186) des von dem Stapel gelieferten Stroms und der Spannung (155, 156) über dem Stapel; gekennzeichnet durch: (b) Zurverfügungstellen von mindestens dem stöchiometrischen Erfordernis an Brennstoffreaktantengas (179) für die Brennstoffströmungsfelder und von mindestens dem stöchiometrischen Erfordernis an Luft aus der Umgebung (173) für die Oxidationsmittelströmungsfelder, wobei der Stapel von der Last getrennt ist; (c) bei Auftreten einer Bedingung, welche gewählt ist aus (v) innerhalb weniger als etwa 20 s nach Schritt (b) und (vi) wenn Spannung am offenen Schaltkreis über dem Stapel detektiert wird, Verbinden (158) des Stapels, um die Last mit Strom zu versorgen; und (d) nachdem etwa 5 min nach Schritt (c) vergangen sind, Starten der Zirkulation (170) von Wasser, welches in den Wasserpassagen strömt.
Verfahren zum Initiieren des Betriebs einer elektrischen Last (159), welche durch eine Stromerzeugungsanlage (150) angetrieben ist, die einen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapel (151) aufweist, von welchem zumindest ein Teil bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser ist, wobei der Stapel eine Mehrzahl von Zellen (12) und Wasserpassagen (96, 98) aufweist, welche mit einem Wasserzirkulationssystem (188, 168, 170) verbunden sind, mit einem Reservoir (164), um mindestens eines der Folgenden zu ermöglichen: (i) Produktwasserentfernung, (ii) Kondensatentfernung, (iii) Befeuchtung von Reaktanten und (iv) Kühlung, wobei jede der Zellen eine Membranelektrodenanordnung (16) aufweist, welche zwischen einer Anodenträgerplatte (17) und einer Kathodenträgerplatte (19) angeordnet ist, ein Brennstoffzellenreaktantengas-Strömungsfeld (94) an einer Anodenseite der Zelle und ein Oxidationsmittelreaktantengas-Strömungsfeld (92) an einer Kathodenseite der Zelle aufweist, wobei die Methode aufweist: (a) Überwachen des Stroms (186), welcher durch den Stapel zur Verfügung gestellt wird und der Spannung (155, 156), welche über dem Stapel zur Verfügung steht; gekennzeichnet durch: (b) Liefern von mindestens dem stöchiometrischen Erfordernis an Brennstoffreaktantengas (179) an die Brennstoffströmungsfelder und von mindestens dem stöchiometrischen Erfordernis an Luft aus der Umge bung (173) für die Oxidationsmittelströmungsfelder, wobei der Stapel von der Last getrennt ist; (c) bei Auftreten einer Bedingung, die gewählt ist aus (v) innerhalb von weniger als etwa 20 s nach Schritt (b) und (vi) wenn Spannung am offenen Schaltkreis über dem Stapel detektiert wird; Verbinden (158) des Stapels, um die Last mit Strom zu versorgen; und (d) bei Auftreten einer Bedingung, die gewählt ist aus (vii) dem Ablauf von etwa 5 min nach Schritt (c) oder (viii) wenn die Menge an flüssigem Wasser innerhalb des Wasserzirkulationssystems ausreichend ist, um das gesamte Wasserzirkulationssystem (170) mit Ausnahme des Speichers zu füllen, Starten der Zirkulation von Wasser, welches in den Wasserpassagen strömt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem: die Last ein Antriebssystem (159) eines Fahrzeugs ist; und der Schritt (c) das Verbinden des Stapel aufweist, um das Antriebssystem mit Strom zu, versorgen.
Verfahren zum Initiieren des Betriebs eines elektrischen Fahrzeugs in einer Umgebung mit einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser, wobei das Fahrzeug ein Antriebssystem (159) hat, welches durch eine Stromerzeugungsanlage (150) angetrieben ist, die einen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapel (151) aufweist, von welchem mindestens ein Teil bei einer Temperatur ist, welche unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser ist, wobei der Stapel eine Mehrzahl von Zellen (12) hat, die jeweils eine Membranelektrodenanordnung (16) aufweist, welche zwischen einer Anodenträgerplatte (17) und. einer Kathodenträgerplatte (19) angeordnet ist, wobei die Trägerplatten porös und mindestens teilweise hydrophil sind, ein Brennstoffreaktantengas-Strömungsfeld (94) an einer Anodenseite der Zelle und ein Oxidationsreaktantengas-Strömungsfeld (92) an einer Kathodenseite der Zelle aufweist, wobei jede Zelle mindestens eines der Folgenden hat: (i) eine poröse Wassertransportplatte (84), welche benachbart zu der Anodenträgerplatte angeordnet ist und (ii) eine poröse Wassertransportplatte (86), welche benachbart zur Kathodenträgerplatte angeordnet ist, wobei jede Wassertransportplatte Wasserpassagen (96, 98) hat, welche mit einem Wasserzirkulationssystem (166, 168, 170) verbunden sind, mit einem Reservoir (164), um mindestens eines der Folgenden zu ermöglichen: (iii) Produktwasserentfernung, (iv) Kondensatentfernung, (v) Befeuchtung von Reaktanten, und (vi) Kühlung, wobei das Verfahren aufweist: (a) vorheriges Bewirken, dass die Proben der Trägerplatten im Wesentlichen frei von Wasser sind; (b) Überwachen (186) des Stroms, der durch den Stapel geliefert wird, und der Spannung (155, 156) über dem Stapel; gekennzeichnet durch: (c) Zurverfügungstellen von unbeheiztem, unbefeuchtetem Brennstoffreaktantengas (179) für die Brennstoffströmungsfelder über das stöchiometrische Erfordernis hinaus und von unbeheiztem, unbefeuchtetem Oxidationsmittelreaktantengas aus der Umgebung (173) für die Oxidationsmittelströmungsfelder über etwa das Zweifache des stöchiometrischen Erfordernisses hinaus, wobei der Stapel von dem Antriebsystem getrennt ist; (d) bei Auftreten einer Bedingung, die gewählt ist aus (vii) innerhalb von weniger als etwa 20 s nach Schritt (c) und (viii) wenn am offenen Schaltkreis Spannung über dem Stapel detektiert wird, Verbinden (158) des Stapels, um das Antriebssystem mit Strom zu versorgen; (e) bei Auftreten einer Bedingung, die gewählt ist aus (ix) dem Ablauf von etwa 5 min nach Schritt (d) und (x) wenn flüssiges Wasser innerhalb des Wasserzirkulationssystems ausreichend ist, um das Wasserzirkulationssystem bis auf den Speicher zu füllen, Starten der Zirkulation (170) von Wasser, welches innerhalb der Wasserpassagen strömt, und Zurverfügungstellen von Brennstoffreaktantengas zu den Brennstoffströmungsfeldern von mindestens dem stöchiometrischen Erfordernis und von Oxidationsmittelreaktantengas aus der Umgebung zu dem Oxidationsmittelströmungsfeldern von weniger als etwa dem zweifachen stöchiometrischen Erfordernis, wobei Kühlung des Stapels zwischen Schritt (d) und Schritt (e) zur Verfügung gestellt wird durch Erwärmen von Eis in den Wassertransportplatten, der Schmelzwärme des schmelzenden Eises, Erwärmen der Masse des Stapels, und durch Verdunstung von Wasser, mindestens von den Wassertransportplatten, in das Oxidationsmittelreaktantengas.
Verfahren zum Initiieren des Betriebs eines elektrischen Fahrzeugs mit einem Antriebssystem (159), welches durch eine Stromerzeugungsanlage (150) angetrieben wird, die einen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapel (151) aufweist, von welchem mindestens ein Teil bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser ist, wobei der Stapel eine Mehrzahl von Zellen (12) und Wasserpassagen (96, 98) hat, welche mit einem Wasserzirkulationssystem (166, 168, 170) verbunden sind, mit einem Reservoir (164), um mindestens eines von (i) Produktwasserentfernung, (ii) Kondensatentfernung, (iii) Befeuchtung der Reaktanten, und (iv) Kühlung zur Verfügung zu stellen, wobei jede der Zellen eine Membranelektrodenanordnung (16) aufweist, die zwischen einer porösen Anodenträgerplatte (17) und einer porösen Kathodenträgerplatte (19) angeordnet ist, wobei die Poren der Trägerplatten im Wesentlichen frei von Wasser sind, ein Brennstoffreaktantengas-Strömungsfeld (94) an einer Anodenseite der Zelle und ein Oxidationsmittelreaktantengas-Strömungsfeld (92) an einer Kathodenseite der Zelle aufweist, wobei das Verfahren aufweist: (a) Überwachen (186) des Stroms, der durch den Stapel zur Verfügung gestellt wird, und der Spannung (155, 156) über dem Stapel; gekennzeichnet durch: (b) Zurverfügungstellen von Brennstoffreaktantengas (179) für die Brennstoffströmungsfelder über das stöchiometrische Erfordernis hinaus und von Oxidationsmittelreaktantengas (173) für die Oxidationsmittelströmungsfelder über das etwa Zweifache des stöchiometrischen Erfordernisses hinaus, wobei der Stapel von dem Antriebssystem getrennt ist; (c) bei Auftreten einer Bedingung, die gewählt ist aus (v) innerhalb weniger als etwa 20 s nach Schritt (b) und (vi) wenn Spannung am offenen Schaltkreis über dem Stapel detektiert wird, Verbinden (158) des Stapels, um das Antriebssystem mit Strom zu versorgen; und (d) bei Auftreten einer Bedingung, die gewählt ist aus (vii) dem Ablauf von 5 min nach Schritt (c) oder (viii) wenn die Menge an flüssigem Wasser innerhalb des Wasserzirkulationssystems ausreichend ist, das Wasserzirkulationssystem bis auf den Speicher zu füllen, Starten der Zirkulation (170) von Wasser, welches in den Wasserpassagen strömt, und Zurverfügungstellen von Brennstoffreaktantengas für die Brennstoffströmungsfelder von mindestens dem stöchiometrischen Erfordernis und von Oxidationsmittelreaktantengas zu den Oxidationsmittelströmungsfeldern von weniger als dem etwa Zweifachen des stöchiometrischen Erfordernisses.
Verfahren zum Initiieren des Betriebs eines elektrischen Fahrzeugs in einer Umgebung bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser, wobei das Fahrzeug ein Antriebssystem (159) hat, welches durch eine Stromerzeugungsanlage (150) betrieben wird, die einen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapel (151) aufweist, von welchem zumindest ein Teil bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser ist, wobei der Stapel eine Mehrzahl von Zellen (12) und Wasserpassagen (96, 98) hat, die mit einem Wasserzirkulationssystem (166, 168, 170) verbunden sind, mit einem Speicher (164), um mindestens eines der Folgenden zur Verfügung zu stellen: (i) Produktwasserentfernung, (ii) Kondensatentfernung, (iii) Befeuchtung der Reaktanten und (iv) Kühlung, wobei jede der Zellen eine Membranelektrodenanordnung aufweist, die zwischen einer Anodenträgerplatte (17) und einer Kathodenträgerplatte (19) angeordnet ist, ein Brennstoffreaktantengas-Strömungsfeld (94) an einer Anodenseite der Zelle und ein Oxidationsmittelreaktantengas-Strömungsfeld (92) an einer Kathodenseite der Zelle aufweist, wobei das Verfahren aufweist: (a) Überwachen (186) des Stroms, der durch den Stapel zur Verfügung gestellt wird und der Spannung (155, 156) über dem Stapel; gekennzeichnet durch: (b) Zurverfügungstellen von mindestens dem stöchiometrischen Erfordernis an unbeheiztem, unbefeuchteten Brennstoffreaktantengas (179) für die Brennstoffströmungsfelder und von mindestens dem stöchiometrischen Erfordernis von unbeheizter, unbefeuchteter Luft aus der Umgebung (173) für die Oxidationsmittelströmungsfelder hinaus, wobei der Stapel von dem Antriebsystem getrennt ist; (c) bei Auftreten einer Bedingung, die gewählt ist aus (vi) innerhalb weniger als etwa 20 s nach Schritt (b) und (vi) wenn Spannung am offenen Schaltkreis über dem Stapel detektiert wird, Verbinden (158) des Stapels, um das Antriebssystem mit Strom zu versorgen; und (d) bei Auftreten einer Bedingung, die gewählt ist aus (vii) in dem Ablauf von 5 min nach Schritt (c) oder (viii) wenn die Menge an flüssigem Wasser innerhalb des Wasserzirkulationssystems ausreichend ist, das gesamte Wasserzirkulationssystem mit Ausnahme des Speichers zu füllen, Starten (170) der Zirkulation von Wasser, welches innerhalb der Wasserpassagen strömt, und Zurverfügungstellen von Brennstoffreaktantengas für die Brennstoffströmungsfelder von zumindest dem stöchiometrischen Erfordernis, und Zurverfügungstellen von Luft aus der Umgebung für die Oxidationsmittelströmungsfelder von weniger als dem etwa Zweifachen des stöchiometrischen Erfordernisses.
Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Fahrzeugs (159) mit einem Antriebssystem, welches durch eine Stromerzeugungsanlage (150) betrieben wird, die einen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapel (151) aufweist, von welchem mindestens ein Teil bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser ist, wobei der Stapel eine Mehrzahl von Zellen (12) und Wasserpassagen (96, 98) hat, die mit einem Wasserzirkulationssystem (166, 168, 170) verbunden sind, um mindestens eines der Folgenden zur Verfügung zu stellen: (i) Produktwasserentfernung, (ii) Kondensatentfernung, (iii) Befeuchtung der Reaktanten, und (iv) Kühlung, wobei jede der Zellen eine Membranelektrodenanordnung (16) aufweist, welche zwischen einer Anodenträgerplatte (17) und einer Kathodenträgerplatte (19) angeordnet ist, ein Brennstoffreaktantengas-Strömungsfeld (94) an einer Anodenseite der Zelle und ein Oxidationsmittelreaktantengas-Strömungsfeld (92) an einer Kathodenseite der Zelle aufweist, wobei die Trägerplatten porös und mindestens teilweise hydrophil sind, wobei das Verfahren aufweist: (a) vorheriges Bewirken, dass die Poren der Trägerplatten im Wesentlichen frei von Wasser sind; (b) Überwachen (186) des Stroms, der durch den Stapel zur Verfügung gestellt wird, und der Spannung (155, 156) über dem Stapel; gekennzeichnet durch: (c) Zurverfügungstellen von Brennstoff bzw. Oxidationsmittelreaktantengas für die Brennstoffströmungsfelder und Oxidationsmittelströmungsfelder, wobei der Stapel von dem Antriebssystem getrennt ist; (d) bei Auftreten einer Bedingung, die gewählt ist aus (v) innerhalb weniger als etwa 20 s nach Schritt (c) und (vi) wenn Spannung am offenen Schaltkreis über dem Stapel detektiert wird, Verbinden (158) des Stapels, um das Antriebssystem mit Strom zu versorgen; (e) bei Auftreten einer Bedingung, die gewählt ist aus (vii) dem Ablauf von 5 min nach Schritt (d) oder (viii) wenn flüssiges Wasser innerhalb des Wasserzirkulationssystems ausreichend ist, um das Wasserzirkulationssystem mit Ausnahme des Speichers zu füllen, Starten der Zirkulation (170) von Wasser, welches in den Wasserpassagen strömt und Zurverfügungstellen von Brennstoffreaktantengas für die Brennstoffströmungsfelder von mindestens dem stöchiometrischen Erfordernis und von Oxidationsmittelreaktantengas für die Oxidationsmittelströmungsfelder von weniger als dem etwa Zweifachen des stöchiometrischen Erfordernisses.
Verfahren zum Initiieren des Betriebs eines elektrischen Fahrzeugs mit einem Antriebssystem (159), welches durch eine Stromerzeugungsanlage (150) betrieben wird, die einen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapel (151) aufweist, von welchem mindestens ein Teil bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser ist, wobei der Stapel eine Mehrzahl von Zellen (12) hat, die jeweils eine Membranelektrodenanordnung (19) aufweisen, die zwischen einer porösen Anodenträgerplatte (17) und einer porösen Kathodenträgerplatte (19) angeordnet ist, wobei die Poren der Trägerplatten im Wesentlichen frei von Wasser sind, ein Brennstoffreaktantengas-Strömungsfeld (94) an einer Anodenseite der Zelle und ein Oxidationsmittelreaktantengas-Strömungsfeld (92) an einer Kathodenseite der Zelle aufweist, wobei jede Zelle mindestens eines der Folgenden hat: (i) eine poröse Wassertransportplatte (84), welche benachbart zur An odenträgerplatte angeordnet ist, und (ii) eine poröse Wassertransportplatte (86), welche benachbart der Kathodenträgerplatte angeordnet ist, wobei jede Wassertransportplatte Wasserpassagen (96, 98) hat, die mit einem Wasserzirkulationssystem (166, 168, 170) verbunden sind, mit einem Speicher (164), um zumindest eine der Folgenden zur Verfügung zu stellen: (iii) Produktwasserentfernung, (iv) Kondensatentfernung, (v) Befeuchtung der Reaktanten, und (vi) Kühlung, wobei das Verfahren aufweist: (a) Überwachen (186) des Stroms, der durch den Stapel zur Verfügung gestellt wird, und von Spannung (155, 156) über dem Stapel; (b) Zurverfügungstellen von Brennstoff (179) bzw. Oxidationsmittelreaktantengas (173) für die Brennstoffströmungsfelder und Oxidationsmittelströmungsfelder, wobei der Stapel von dem Antriebssystem getrennt ist; (c) bei Auftreten einer Bedingung, die gewählt ist aus (vii) innerhalb weniger als etwa 20 s nach Schritt (b) und (viii) wenn Spannung am offenen Schaltkreis über dem offenen Stapel detektiert wird, Verbinden (158) des Stapels, um das Antriebssystem mit Strom zu versorgen; (d) bei Auftreten einer Bedingung, die gewählt ist aus (ix), dem Ablauf von 5 min nach Schritt (c) oder (x) wenn flüssiges Wasser innerhalb des Wasserzirkualtionssystems ausreichend ist, um das Wasserzirkualtionssystem mit Ausnahme des Speichers zu füllen, Starten der Zirkulation (170) von Wasser, welches innerhalb der Wasserpassagen strömt, und Zurverfügungstellen von Brennstoff für die Brennstoffströmungsfelder von mindestens dem stöchiometrischen Erfordernis und von Oxidationsmittelreaktantengas für die Oxidationsmittelströmungsfelder von mindestens dem etwa Zweifachen des stöchiometrischen Erfordernisses, wobei Kühlen des Stapels zwischen Schritt (c) und Schritt (d) zur Verfügung gestellt wird durch Erwärmen von Eis in den Wassertransportplatten, der Schmelzwärme des schmelzenden Eises, Wärmen der Masse des Stapels, und Verdunstung von Wasser, mindestens von den Wassertransportplatten, in das Oxidationsmittelreaktantengas.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 8, bei welchem die Stromerzeugungsanlage eine Hilfslast (161) aufweist und: der Schritt des Verbindens außerdem das Verbinden (160) der Hilfslast mit dem Stapel aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem die Hilfslast gewählt ist, zwischen etwa 20% und etwa 40% der Nennleistung des Brennstoffzellenstapels zu ziehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 und 5 bis 7, bei welchem: die Wasserpassagen Passagen (96, 98) in oder benachbart zu mindestens einer porösen Wassertransportplatte (84, 86) aufweisen, wobei jede Zelle mindestens eines von einer Wassertransportplatte benachbart zur Anodenträgerplatte und einer Wassertransportplatte benachbart zur Kathodenträgerplatte hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 5, 6 und 8, bei welchem: die Trägerplatten zumindest teilweise hydrophil sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 8, bei welchem die Trägerplatten zumindest teilweise hydrophob sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 5, 7 und 8, bei welchem: der Schritt des Zurverfügungstellens von Reaktantengas das Zurverfügungstellen von Reaktantengasen (179, 173) aufweist, von welchen mindestens eines bei einer Temperatur einer Außenumgebung des Brennstoffzellenstapels ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 5, 6 und 8, bei welchem der Schritt des Zurverfügungstellens von dem mindestens zweifachen stöchiometrischen Erfordernis von Oxidationsmittelreaktantengas in Schritt (b) zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 7, bei welchem im Schritt des Zurverfügungstellens von dem mindestens zweifachen stöchiometrischen Erfordernis von Oxidationsmittelreaktantengas in Schritt (c) zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 5, 6 und 8, bei welchem der Schritt des Zurverfügungstellens des mindestens dreifachen Erfordernisses von Oxidationsmittelreaktantengas in Schritt (b) zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 7, bei welchem der Schritt des Zurverfügungstellens des mindestens dreifachen stöchiometrischen Erfordernisses von Oxidationsmittelreaktantengas in Schritt (c) zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 5, 6 und 8, bei welchem der Schritt des Zurverfügungstellens des mindestens vierfachen stöchiometrischen Erfordernisses von Oxidationsmittelreaktantengas in Schritt (b) zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 7, bei welchem der Schritt des Zurverfügungstellens des mindestens vierfachen stöchiometrischen Erfordernisses von Oxidationsmittelreaktantengas in Schritt (c) zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 5, 6 und 8, bei welchem der Schritt des Zurverfügungstellens des mindestens fünffachen stöchiometrischen Erfordernisses von Oxidationsmittelreaktantengas in Schritt (b) zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 7, bei welchem der Schritt des Zurverfügungstellens des mindestens fünffachen stöchiometrischen Erfordernisses von Oxidationsmittelreaktantengas in Schritt. (c) zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 5, 6 und 8, bei welchem in Schritt (b) mindestens eines der Reaktantengase bei einem Druck von mindestens 4 kPa (0,6 psi) über entweder (i) den Druck von jeglichem Wasser in den Wasserpassagen oder über (ii) den Umgebungsdruck zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 7, in welchem in Schritt (c) mindestens eines der Reaktantengase zur Verfügung gestellt wird bei einem Druck von mindestens 4 kPa (0,6 psi) über entweder (i) Druck von jeglichem Wasser in den Wasserpassagen oder (ii) über Umgebungsdruck.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 5, 6 und 8, bei welchem in Schritt (d) mindestens eines der Reaktantengase bei ungefähr Umgebungsdruck zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 7, bei welchem in Schritt (c) mindestens eines der Reaktantengase bei ungefähr Umgebungsdruck zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren zum Initiieren des Betriebs einer elektrischen Last (159), welche durch einen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapel (151) betrieben wird, von welchem mindestens ein Teil bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser ist, wobei der Stapel eine Mehrzahl von Zellen und Wasserpassagen (96, 98) hat, die mit einem Wasserzirkualtionssystem verbunden sind, um mindestens eines der Folgenden zur Verfügung zu stellen: (i) Produktwasserentfernung, (ii) Kondensatentfernung, (iii) Befeuchtung der Reaktanten und (iv) Kühlung, wobei jede der Zellen eine MEA (16) aufweist, welche zwischen einer Anodenträgerplatte (17) und einer Kathodenträgerplatte (19) angeordnet ist, ein Brennstoffreaktantengas-Strömungsfeld (94) an einer Anodenseite der Zelle aufweist und ein Oxidationsmittelreaktantengas-Strömungsfeld (92) an einer Kathodenseite der Zelle aufweist, wobei das Verfahren aufweist: (a) Überwachen (186) des von dem Stapel gelieferten Stroms und der Spannung (155, 156) über dem Stapel; gekennzeichnet durch: (b) Zurverfügungstellen von mindestens dem stöchiometrischen Erfordernis an Brennstoffreaktantengas (179) für die Brennstoffströmungsfelder und von mindestens dem stöchiometrischen Erfordernis an Oxidationsmittelreaktantengas (173) für die Oxidationsmittelströmungsfelder, wobei mindestens eines der Reaktantengase bei einem Druck von min destens 4 kPa (0,6 psi) über entweder (v) dem Umgebungsdruck oder (vi) dem Druck von jeglichem Wasser in den Wasserpassagen ist hinaus, wobei der Stapel von der Last getrennt ist; (c) nach Schritt (b), Verbinden (158) des Stapels, um die Last mit Strom zu versorgen; und (d) nach Schritt (c), Starten der Zirkulation (170) von Wasser, welches in den Wasserpassagen strömt.
Verfahren zum Initiieren des Betriebs einer elektrischen Last (159), welche durch einen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapel betrieben wird, von welchem mindestens ein Teil bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser ist, wobei der Stapel eine Mehrzahl von Zellen (12) und Wasserpassagen (96, 98) hat, welche mit einem Wasserzirkulationssystem (164, 166, 168, 170) verbunden sind, um mindestens eines der Folgenden zur Verfügung zu stellen: (i) Produktwasserentfernung, (ii) Kondensatentfernung, (iii) Befeuchtung der Reaktanten, und (iv) Kühlung, wobei jede der Zellen eine MEA (16) aufweist, welche zwischen einer Anodenträgerplatte (17) und einer Kathodenträgerplatte (19) angeordnet ist, ein Brennstoffreaktantengas-Strömungsfeld (94) an einer Anodenseite der Zelle und ein Oxidationsmittelreaktantengas-Strömungsfeld (92) an einer Kathodenseite der Zelle, wobei das Verfahren aufweist: (a) Überwachen (186) des Stroms, der durch den Stapel zur Verfügung gestellt wird, und der Spannung (155, 156) über dem Stapel; gekennzeichnet durch: (b) Zurverfügungstellen von mindestens des stöchiometrischen Erfordernisses von Brennstoffreaktantengas (179) für die Brennstoffströmungsfelder und mindestens des stöchiometrischen Erfordernisses von Oxidationsmittelreaktantengas (173) für die Oxidationsmittelströmungsfelder, wobei mindestens eines der Reaktantengase bei einem Druck von mindestens 4 kPa (0,6 psi) über entweder (v) dem Umgebungsdruck oder (vi) dem Druck von jeglichem Wasser in den Wasserpassagen ist, wobei der Stapel von der Last getrennt ist; (c) nach Auftreten einer der Bedingungen, die gewählt ist aus (vi) innerhalb weniger als etwa 20 s nach Schritt (b), und (vii) wenn eine Spannung am offenen Schaltkreis über dem Stapel detektiert wird, Verbinden (158) des Stapels, um die Last mit Strom zu versorgen; und (d) bei Ablauf von etwa 5 min nach Schritt (c), Starten der Zirkulation (170) von Wasser, welches innerhalb der Wasserpassagen strömt.
Verfahren zur Initiierung des Betriebs einer elektrischen Last (159), welche durch einen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapel (151) betrieben wird, von welchem mindestens ein Teil bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser ist, wobei der Stapel eine Mehrzahl von Brennstoffzellen (12) und Wasserpassagen (96, 98) hat, welche mit einem Wasserzirkulationssystem (166, 168, 170) verbunden sind, mit einem Speicher (164), um mindestens eines der Folgenden zur Verfügung zu stellen: (i) Produktwasserentfernung, (ii) Kondensatentfernung, (iii) Befeuchtung der Reaktanten, und (iv) Kühlung, wobei jede der Zellen eine MEA (16) aufweist, welche zwischen einer Anodenträgerplatte (17) und einer Kathodenträgerplatte (19) angeordnet ist, ein Brennstoffreaktantengas-Strömungsfeld (94) an einer Anodenseite der Zelle und ein Oxidationsmittelreaktantengas-Strömungsfeld (92) an einer Kathodenseite der Zelle, wobei das Verfahren aufweist: (a) Überwachen (186) des Stroms, der durch den Stapel zur Verfügung gestellt wird, und der Spannung (155, 156) über dem Stapel; gekennzeichnet durch: (b) Zurverfügungstellen von mindestens des stöchiometrischen Erfordernisses von Brennstoffreaktantengas (179) für die Brennstoffströmungsfelder und mindestens des stöchiometrischen Erfordernisses von Oxidationsmittelreaktantengas (173) für die Oxidationsmittelströmungsfelder, wobei mindestens eines der Reaktantengase bei einem Druck von mindestens 4 kPa (0,6 psi) über entweder (v) dem Umgebungsdruck oder (vi) dem Druck von jeglichem Wasser in den Wasserpassagen ist, wobei der Stapel von der Last getrennt ist; (c) bei Auftreten einer Bedingung, die gewählt ist aus (vi) innerhalb weniger als etwa 20 s nach Schritt (b) und (vii) wenn Spannung am offenen Schaltkreis über dem Stapel detektiert wird, Verbinden (158) des Stapels, um die Last mit Strom zu versorgen; und (d) bei Auftreten einer Bedingung, die gewählt ist aus (vii) dem Ablauf von 5 min nach Schritt (c) oder (viii) wenn die Menge an flüssigem Wasser innerhalb des Wasserzirkulationssystems ausreichend ist, um das gesamte Wasserzirkulationssystem mit Ausnahme des Speichers zu füllen, Starten der Zirkulation (170) von Wasser, welche innerhalb der Wasserpassagen strömt.