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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere Verfahren zum Start eines Brennstoffzellenstapels unter Verwendung von Umgebungsluft und einem Niederspannungsgebläse.
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Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als eine Energie- bzw. Antriebsquelle verwendet worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektrischen Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle und Sauerstoff an die Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen, protonendurchlässigen, elektrisch nicht leitenden Festpolymerelektrolytmembran, die auf einer ihrer Seiten den Anodenkatalysator und auf der entgegengesetzten Seite den Kathodenkatalysator umfasst. Die MEA ist zwischen ein Paar elektrisch leitende Elemente geschichtet, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und geeignete Kanäle und/oder Öffnungen darin umfassen, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren zu verteilen. Eine typische PEM-Brennstoffzelle und ihre Membranelektrodenanordnung (MEA) ist in den U.S. Patenten
US 5,272,017 A und
US 5,316,871 A beschrieben, die am 21. Dezember 1993 bzw. 31. Mai 1994 erteilt wurden und auf die General Motors Corporation übertragen sind.
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Der Begriff ”Brennstoffzelle” wird typischerweise dazu verwendet, abhängig vom Zusammenhang entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen zu bezeichnen. Zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels wird üblicherweise eine Vielzahl einzelner Zellen miteinander gebündelt. Jede Zelle in dem Stapel umfasst die vorher beschriebene MEA, und jede derartige MEA liefert ihren Spannungszuwachs. Typische Anordnungen mehrerer Zellen in einem Stapel sind in dem U.S. Patent
Nr. 5,763,113 A beschrieben, das auf die General Motors Corporation übertragen und hier in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
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In der Startphase eines Brennstoffzellensystems wird oftmals ein Kompressor verwendet, um Druckluft oder unter Druck stehenden Sauerstoff an den Brennstoffzellenkathodeneinlass zu liefern, während Wasserstoff in den Brennstoffzellenanodeneinlass eingeführt wird. Viele Brennstoffzellensysteme verwenden gegenwärtig große Batteriepakete, um den Kompressor zu starten und zu betreiben, bevor Abgabeleistung von dem Brennstoffzellenstapel verfügbar ist. Das große Batteriepaket wird oftmals mit verschiedenen DC/DC-Wandlern verwendet, um die für den Kompressor nötige hohe Spannung vorzusehen, wie dies beispielsweise in der
DE 101 30 095 A1 beschrieben wird. Gewöhnlich sind ein oder mehrere DC/DC-Wandler nötig, um die Batteriespannung auf das Stapelniveau anzuheben und dann ist ein anderer DC/DC-Wandler nötig, um die Spannung von dem Stapelniveau auf das Kompressormotorniveau anzuheben. Das große Batteriepaket und die DC/DC-Wandler tragen erheblich zu dem Gewicht, dem Volumen wie auch den Kosten des Brennstoffzellensystems bei. Somit besteht ein Bedarf nach einer Vereinfachung des Brennstoffzellensystems, wie auch einer Verringerung der Masse, des Volumens und der Kosten des Systems.
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Ferner ist aus der
DE 100 47 138 A1 ein Startverfahren für ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das in der
DE 100 47 138 A1 beschriebene Startverfahren zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 12 oder des Anspruchs 24 gelöst.
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Demgemäß ist die vorliegende Erfindung vorgesehen, um das Starten eines Brennstoffzellensystems ohne Verwendung von über Batterie abgeleiteter Hochspannungsleistung zum Antrieb des Kompressors zu vereinfachen. Stattdessen sieht die vorliegende Erfindung die Verwendung eines Niederspannungsgebläses vor, um Sauerstoff an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels zu liefern und damit ein Starten des Brennstoffzellenstapels ohne die anfängliche Verwendung des Hochspannungskompressors zu ermöglichen. Das Niederspannungsgebläse kann durch eine Niederspannungsenergiequelle und/oder die von dem Brennstoffzellenstapel erzeugte Spannung betrieben werden.
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Ein Brennstoffzellensystem gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der eine Anodenseite mit einem Anodeneinlass und eine Kathodenseite mit einem Kathodeneinlass umfasst. Der Brennstoffzellenstapel dient dazu, einen wasserstoffhaltigen Reaktanden an der Anodenseite und einen sauerstoffhaltigen Reaktanden an der Kathodenseite in Elektrizität, einen Anodenabfluss und einen Kathodenabfluss umzuwandeln. Eine Quelle für wasserstoffhaltigen Reaktanden ist mit dem Anodeneinlass verbunden, und eine Quelle für sauerstoffhaltigen Reaktanden ist mit dem Kathodeneinlass verbunden. Ein Niederspannungsgebläse, das dazu dient, sauerstoffhaltigen Reaktanden von der Quelle für sauerstoffhaltigen Reaktanden zu liefern, ist mit dem Kathodeneinlass verbunden. Ein Hochspannungskompressor, der dazu dient, sauerstoffhaltigen Reaktanden von der Quelle für sauerstoffhaltigen Reaktanden zu liefern, ist mit dem Kathodeneinlass verbunden.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Brennstoffzellenstartverfahren für ein Brennstoffzellensystem, dass: (1) Wasserstoff in den Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels eingeführt wird; (2) ein Gebläse mit einer Niederspannungsenergiequelle betrieben wird, um Sauerstoff an den Kathodeneinlass des Brennstoffzellenstapels zu liefern; und (3) eine Spannungsabgabe mit dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels vor dem Start Sauerstoff, und das Niederspannungsgebläse wird von dem Brennstoffzellenstapel betrieben. Die Anwesenheit von Sauerstoff in der Kathodenseite kann das Ergebnis einer Vielzahl von Betriebsfaktoren sein, wie beispielsweise einem Spülvorgang des Brennstoffzellenstapels, einem Betrieb mit einem hohen Lambda an Sauerstoff kurz vor dem Abschalten des Brennstoffzellenstapels, wie auch einem Vorladen der Kathodenseite mit Sauerstoff. Bei dieser Ausführungsform umfasst das Verfahren, dass: (1) Wasserstoff in den Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels eingeführt wird, um eine Spannung mit dem Brennstoffzellenstapel zu erzeugen; (2) das Niederspannungsgebläse mit der Spannung des Brennstoffzellenstapels betrieben wird, um zusätzlichen Sauerstoff an den Kathodeneinlass des Brennstoffzellenstapels über das Gebläse zu liefern; und (3) die von dem Brennstoffzellenstapel erzeugte Spannung mit der Zeit erhöht wird.
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Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Brennstoffzellenstapel betrieben, um eine minimale Spannungsabgabe beizubehalten, die dazu verwendet werden kann, den Brennstoffzellenstapel zu starten, wenn ein Normalbetrieb gefordert wird. Bei diesem Verfahren wird, wenn kein Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels gefordert wird, der Brennstoffzellenstapel in einer Bereitschaftsbetriebsart betrieben. In der Bereitschaftsbetriebsart wird die Spannung des Brennstoffzellenstapels überwacht und über einem vorbestimmten minimalen Wert gehalten. Um die Spannung über dem vorbestimmten minimalen Wert zu halten, wird selektiv Wasserstoff in den Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels eingeführt und ein Niederspannungsgebläse selektiv mit der Spannung des Brennstoffzellenstapels betrieben, um Sauerstoff an den Kathodeneinlass des Brennstoffzellenstapels zu liefern.
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Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstart ohne Verwendung von über Batterie abgeleiteter Hochspannungsleistung vorsehen kann, um den Kompressor anzutreiben, gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine schematische Ansicht einer alternativen Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstart ohne Verwendung von über Batterie abgeleiteter Hochspannungsleistung vorsehen kann, um den Kompressor anzutreiben, gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist, und
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3 eine schematische Ansicht einer alternativen Anordnung des Niederspannungsgebläses und des Hochspannungskompressors gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist.
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Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihre Benutzung zu beschränken.
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Die vorliegende Erfindung ist auf ein Brennstoffzellensystem 20 und insbesondere ein Brennstoffzellensystem gerichtet, bei dem ein Start eines Brennstoffzellenstapels ohne die Verwendung von über Batterie abgeleiteter Hochspannungsleistung ausgeführt werden kann, um den Kompressor anzutreiben. Bei der bevorzugten Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem 20 einen Brennstoffzellenstapel 22, der mit einer Wasserstoffquelle 24 und einer Sauerstoffquelle 26 verbunden ist, wie es in der Technik gut bekannt ist. Im Überblick umfasst ein Brennstoffzellenstapel 22 eine Vielzahl von Membranelektrodenanordnungen (MEAs), die jeweils zwischen einer Vielzahl von bipolaren Platten angeordnet sind. Wie es in der Technik bekannt ist, kann der Stapel auch eine Vielzahl von Gasverteilungsschichten, eine Vielzahl von Anodenverteilern, eine Vielzahl von Kathodenverteilern, eine Vielzahl von Kühlmittelverteilern und Endplatten umfassen, die alle in einer gestapelten Beziehung angeordnet sind. Die Reihenfolge der MEAs und bipolaren Platten wird wiederholt, um die gewünschte Spannungsabgabe für den Brennstoffzellenstapel 22 vorzusehen. Wie es in der Technik bekannt ist, umfasst jede MEA eine Membran in der Form eines dünnen protonendurchlässigen, elektrisch nicht leitenden Festpolymerelektrolyten. Eine Anodenkatalysatorschicht ist an einer Fläche der Membrane vorgesehen, und eine Kathodenkatalysatorschicht ist an der entgegengesetzten Fläche der Membrane vorgesehen. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann die Gestaltung des Brennstoffzellenstapels 22 eine beliebige bekannte Anordnung haben.
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Die Wasserstoffquelle 24 kann einen Brennstoffprozessor oder gespeicherten Wasserstoff umfassen, wie es in der Technik bekannt ist. Ein Wasserstoffversorgungsventil 28 (entweder manuell und/oder elektronisch solenoidgesteuert) ist in Verbindung mit der Wasserstoffquelle 24 vorgesehen, um Wasserstoff an einen Anodeneinlass 30 des Brennstoffzellenstapels 22 zu liefern. Das Wasserstoffversorgungsventil 28 kann manuell und/oder durch ein elektronisches Solenoid betätigt werden. Das Wasserstoffversorgungsventil 28 kann anfänglich über einen Druckknopf oder einen anderen Typ einer Verbindungsanordnung manuell betätigt werden und später elektrisch über das Solenoid betätigt werden, wenn ausreichend Leistung verfügbar ist oder von dem Brennstoffzellensystem 20 erzeugt wird. Gegebenenfalls kann ein mechanischer Zeitgeber (nicht gezeigt) oder eine ähnliche Vorrichtung dazu verwendet werden, den offenen Zustand des Wasserstoffversorgungsventils 28 so lange aufrechtzuerhalten, bis es elektrisch gesteuert werden kann, um das Erfordernis eines manuellen Haltens des offenen Zustands des Wasserstoffversorgungsventils 28 während der Startphase zu vermeiden.
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Sauerstoff in der Form von Luft oder reinem Sauerstoff wird an das Brennstoffzellensystem 20 durch eine Sauerstoffquelle 26 geliefert, die in Verbindung mit einem Hochspannungskompressor 32 steht, der Sauerstoff an den Kathodeneinlass 34 des Brennstoffzellenstapels 20 über einen Kathodengasdurchgang 36 liefert. Die Sauerstoffquelle 26 steht auch in Verbindung mit einem Niederspannungsgebläse 38, das Sauerstoff an den Kathodeneinlass 34 des Brennstoffzellenstapels 20 über den Kathodengasdurchgang 36 liefert. Somit kann Sauerstoff an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 22 über den Kathodeneinlass 34 von entweder dem Kompressor 32 und/oder dem Gebläse 38 durch den Kathodengasdurchgang 36 geliefert werden. Zwischen dem Kathodengasdurchgang 36 und dem Kompressor 32 bzw. dem Gebläse 38 ist ein Paar Rückschlagventile 40, 42 positioniert. Die Rückschlagventile 40, 42 verhindern einen Rückfluss von Sauerstoff in den Kompressor 32 oder das Gebläse 38, wenn Sauerstoff durch das Gebläse 38 bzw. den Kompressor 32 geliefert wird. Bei einer alternativen Anordnung, die in 3 gezeigt ist, sind das Gebläse 38 und der Kompressor 32 in Reihe zueinander positioniert. Bei dieser Ausführungsform erlaubt der Kompressor 32 einen direkten Durchfluss von Sauerstoff, der von dem Gebläse 38 geliefert wird. Diese Ausgestaltung beseitigt den Bedarf nach dem Paar von Rückschlagventilen 40, 42 und kann somit die Kosten des Brennstoffzellensystems 20 verringern. Eine Ausführungsform verwendet das Kühlergebläse als das Gebläse 38, 38'. Die gesamte Gebläseluft oder ein Anteil der Gebläseluft wird an das Rückschlagventil 42, 42 (wie in den 1 und 2 gezeigt ist) oder den Einlass des Kompressors 32, 32' (wie in 3 gezeigt ist) geführt. Die Verwendung des existierenden Kühlergebläses und -motors vermeidet die Kosten eines zusätzlichen Gebläses in dem System. Eine zusätzliche Option zu 3 umfasst, dass ein Bypassventil 43 um das Gebläse herum in dem Fall vorgesehen wird, wenn der Kompressor 32, 32' Schwierigkeiten hat, Luft durch ein beschränkendes Gebläse 38, 38' zu ziehen.
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Der Kompressor 32 wird durch einen Motor 44 betrieben, der mit elektrischer Leistung von dem Brennstoffzellenstapel 22 beliefert wird. Das Gebläse 38 wird jedoch mit elektrischer Leistung von einer Niederspannungsenergiequelle 46 beliefert. Die Energiequelle 46 kann eine Vielzahl von Formen annehmen. Beispielsweise kann die Energiequelle 46 eine Niederspannungsbatterie oder ein Niederspannungskondensator sein, wie beispielsweise ein UltraCap. Die Energiequelle 46 kann mit der Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22 im Normalbetrieb geladen werden.
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Es ist ein Controller 48 vorgesehen, um den Betrieb des Motors 44 und des Gebläses 38 zu steuern wie auch den Spannungspegel der Zellen des Brennstoffzellenstapels 22 zu erfassen. Der Controller 48 wird im Betrieb mit Leistung von der Niederspannungsleistungsquelle 46 und später von dem Brennstoffzellenstapel 22 beliefert. Der Controller 48 kann in Verbindung mit der Niederspannungsenergiequelle 46 auch dazu verwendet werden, einen Betrieb des Wasserstoffversorgungsventils 28 zu steuern, wenn es elektronisch gesteuert wird. Es sei zu verstehen, dass die Begriffe ”Niederspannung” und ”Hochspannung”, die hier verwendet sind, relative Begriffe sind, und dass ”Niederspannung” eine Spannung von kleiner gleich oder etwa 50 Volt betrifft, während ”Hochspannung” eine Spannung über etwa 50 Volt betrifft.
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Ein bevorzugtes Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems 20 sieht einen Start des Brennstoffzellensystems 20 ohne die Verwendung von über Batterie abgeleiteter Hochspannungsleistung zum Antrieb des Kompressors 32 vor. Gemäß des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird Wasserstoff an den Anodeneinlass 30 geliefert, indem das Ventil 28 geöffnet wird, um eine Wasserstoffströmung von der Wasserstoffquelle 24 in die Anodenströmungskanäle zuzulassen. Das Ventil 28 wird entweder manuell über einen Druckknopf oder eine andere mechanische Vorrichtung geöffnet, die betätigt werden kann, um das Ventil 28 ohne eine Leistung zu öffnen, oder wird durch den Controller 48 geöffnet, der ein Signal an die Vorrichtung sendet, wie beispielsweise ein mit Solenoid arbeitendes Ventil 28. Das Gebläse 38 wird dann von dem Controller 48 angewiesen, den Betrieb zu beginnen, um Sauerstoff an die Kathodenströmungskanäle und den Brennstoffzellenstapel 22 von der Sauerstoffversorgung 26 zu liefern. Das Gebläse 38 wird von der Niederspannungsenergiequelle 46 betrieben. Die Lieferung von Wasserstoff und Sauerstoff erlaubt, dass der Brennstoffzellenstapel 22 eine Spannungsabgabe erzeugen kann, die mit der Zeit ansteigt, wenn mehr Wasserstoff und Sauerstoff an den Brennstoffzellenstapel 22 geliefert werden und durch diesen verbraucht werden. Der Controller 48 überwacht die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22. Wenn die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22 steigt, kann der Kompressor 32 in Betrieb genommen und durch die Spannungsgabe des Brennstoffzellenstapels 22 betrieben werden, um zusätzlichen Sauerstoff an den Kathodeneinlass 34 von der Sauerstoffquelle 26 zu liefern.
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Genauer wird, wenn der Controller 48 bestimmt, dass elektrische Leistung von dem Brennstoffzellenstapel 22 erzeugt wird, der Motor 44 angewiesen, eine Last an den Brennstoffzellenstapel 22 anzulegen, der langsam beginnt, den Kompressor 32 anzutreiben, um zusätzliche Luft an die Kathodenströmungskanäle des Brennstoffzellenstapels 22 zu liefern. Die mit dem Brennstoffzellenstapel 22 in Verbindung stehende Last wird dann allmählich durch Erhöhung einer Last des Motors 44 erhöht, bis das System ausreichend Nettoleistung erzeugt, um unter normalen Betriebsbedingungen zu arbeiten. Bevorzugt wird der Kompressor 32 so lange nicht betrieben, bis die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22 einen vorbestimmten Wert erreicht. Der vorbestimmte Wert ist auf Grundlage der Konstruktion des Brennstoffzellensystems 20, der Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22, die mit der Lieferung von Luft an die Kathodenströmungskanäle über das Gebläse 38 bei Betrieb durch eine Niederspannungsenergiequelle 46 möglich ist, und der Anzahl und der Leistungsfähigkeit der DC/DC-Wandler (nicht gezeigt) gewählt, die dazu verwendet werden, die Spannung des Brennstoffzellenstapels 22 auf einen Wert zu erhöhen, der ausreichend ist, um den Motor 44 und den Kompressor 32 anzutreiben. Die höhere Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22 vor dem Beginn des Betriebs des Motors 44 und des Kompressors 32 kann die Anzahl von DC/DC-Wandlern verringern, die erforderlich sind, um die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22 auf den Hochspannungspegel anzuheben, der erforderlich ist, um den Motor 44 und den Kompressor 32 zu betreiben. Die bedeutet, dass die Verzögerung des Betriebs des Motors 44 und Kompressors 32, bis eine höhere Spannung von dem Brennstoffzellenstapel 22 erzeugt wird, die Anzahl von DC/DC-Wandlern, die erforderlich sind, um die Spannungsabgabe zu erhöhen, aufgrund einer höheren Anfangsspannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22 vor Beginn des Betriebs des Motors 44 und Kompressors 32 verringert.
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Wenn der Kompressor 32 betrieben wird, um zusätzliche Luft an die Kathodenströmungskanäle des Brennstoffzellenstapels 22 zu liefern, kann der Betrieb des Gebläses 38 verringert werden. Dies bedeutet, dass, wenn die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22 auf eine Größe ansteigt, die ausreichend ist, um einen Betrieb des Motors 44 und des Kompressors 32 zu beginnen, der Betrieb des Gebläses 38 verringert wird. Der Betrieb des Gebläses 38 kann mit der Zeit verringert werden, wenn die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22 zunimmt, sobald die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22 einen vorbestimmten Wert erreicht und/oder sobald die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22 ausreichend ist, um einen Betrieb des Kompressors 32 auf einem Niveau zu stützen, das ermöglicht, dass der Kompressor 32 die gesamte von dem Brennstoffzellenstapel 22 geforderte Luft liefern kann, um die Erhöhung der Spannungsabgabe auf das normale Betriebsniveau fortzusetzen.
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Die Steuerung des Brennstoffzellensystems 20 während der Startphase kann auf alternative Arten ausgeführt werden. Ein Verfahren besteht darin, einen Controller 48 zur Überwachung der Zellenspannungen und zum Anweisen des Kompressormotors 44 zu verwenden, um den Brennstoffzellenstapel 22 auf eine Art und Weise zu beladen, dass die Zellenspannungen auf vernünftigen Niveaus gehalten werden. Wenn der Kompressor 32 beginnt, Luft zu fördern, die von einem Signal von einem Luftdurchflusssensor oder einem Krümmerdrucksensor 50 erfasst wird, kann mehr Wasserstoff über eine weitere Öffnung des Ventils 28 angewiesen werden, und es kann eine größere Kompressorlast aufgebracht werden. Ein Schneeballeffekt erlaubt, dass das System auf einen positiven Nettoleistungszustand hochgefahren werden kann. Wenn das System in der Lage ist, positive Nettoleistung zu liefern, kann der Controller 48 auf eine Laufsteuerbetriebsart umschalten und einen Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 übernehmen. Der Controller 48 kann auch ein Gebläse 38 anweisen, einen Beendigungsvorgang zu beginnen, wenn die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22 erhöht wird, und/oder wenn abhängig von dem Luftdurchfluss, der durch Sensor 50 erfasst wird, die in die Kathodenströmungskanäle des Brennstoffzellenstapels 22 strömende Luft zunimmt. Der Betrieb des Gebläses 38 endet, wenn eine vorbestimmte Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22 erreicht ist, das System 20 positive Nettoleistung liefern kann und/oder der Kompressor 32 auf einem Niveau arbeitet, das ausreichend ist, um die geforderte Luftmenge an den Brennstoffzellenstapel 22 zu liefern.
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Ein anderes alternatives Verfahren besteht darin, das Startverhalten des Brennstoffzellenstapels 22, des Gebläses 38 und des Kompressors 32 an einem Punkt zu charakterisieren, an dem die angewiesene Wasserstoffströmung und der begonnene Betrieb des Gebläses 38 und des Kompressors 32 auf Basis einer Steuerung (Steuerkette) gehandhabt werden kann. Mit anderen Worten kann die Einführung von Wasserstoff und die zugeordnete Versorgung von Luft durch das Gebläse 38 und schließlich die auf den Kompressormotor 44 ausgeübte Last durch einen Zeitplan gekennzeichnet werden, so dass in der Startphase die Einführung von Wasserstoff, der an den Anodeneinlass 30 geliefert wird, und die Steuerung des Gebläses 38 und des Kompressormotors 44 gemäß einem computerimplementierten (oder über zweckgebundene Schaltung gesteuerten) Zeitplan gesteuert werden kann, um einen Systemstart zu erreichen. Bei diesem Szenario wäre die Zellenspannungsüberwachung nicht erforderlich, wodurch die Elektronik vereinfacht wird.
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Somit wird mit dieser Ausführung und dem Verfahren gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung beim Start nur eine Niederspannungsenergiequelle 46 benötigt, um den Controller 48, das Gebläse 38 und das Wasserstoffversorgungsventil 28 (wenn es elektrisch gesteuert ist) zu betätigen. Der Brennstoffzellenstapel 22 wird durch Verwendung eines Niederspannungsgebläses 38 anstelle des Hochspannungskompressors 32 gestartet, um Luft an die Kathodenseite zu liefern. Dies erlaubt, dass eine wesentlich kleinere Energiequelle in dem Brennstoffzellensystem 20 verwendet werden kann, und verringert die Anzahl und die Kosten der DC/DC-Wandler, die dazu verwendet werden, die niedrige Spannung auf die hohe Spannung zum Betrieb des Kompressors 32 anzuheben.
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Bei einer alternativen Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, sieht die vorliegende Erfindung einen Start eines Brennstoffzellensystems 20' unter Verwendung der von dem Brennstoffzellenstapel 22' erzeugten Leistung vor. Das Brennstoffzellensystem 20 ist im Wesentlichen gleich dem Brennstoffzellensystem 20, das in 1 gezeigt ist. Der Unterschied besteht darin, dass die Niederspannungsenergiequelle 46 in dem Brennstoffzellensystem 20' nicht vorhanden ist, und der Controller 48', das Wasserstoffversorgungsventil 28' (wenn es elektrisch gesteuert ist) und das Gebläse 38' aufgrund dessen von dem Brennstoffzellenstapel 22' betrieben werden, was durch den Controller 48' gesteuert ist.
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Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Start eines Brennstoffzellensystems 20' nur unter Verwendung von Leistung vor, die von dem Brennstoffzellenstapel 22 abgeleitet wird. Ein erster Weg, um dies zu erreichen, besteht darin, den Brennstoffzellenstapel 22' auf eine Art und Weise zu betreiben, dass dafür gesorgt wird, dass Sauerstoff oder Luft in dem Kathodenströmungskanal des Brennstoffzellenstapels 22' bei Abschalten des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 22' verbleibt. Mit anderen Worten wird der Brennstoffzellenstapel 22', wenn er abgeschaltet wird, auf eine Art und Weise betrieben, mit der sichergestellt wird, dass Sauerstoff in den Kathodenströmungskanälen des Brennstoffzellenstapels 22' zu dem Zeitpunkt vorhanden ist, zu dem der Brennstoffzellenstapel 22' gestartet werden soll. Der Brennstoffzellenstapel 22' kann auf eine Anzahl verschiedener Arten während der Abschaltvorgehensweise betrieben werden, um sicherzustellen, dass Sauerstoff in den Kathodenströmungskanälen des Brennstoffzellenstapels 22 vorhanden ist, wenn der Brennstoffzellenstapel 22' gestartet werden soll. Ein Weg, um dies zu erreichen, besteht darin, dass die Anoden- und Kathodenströmungskanäle des Brennstoffzellenstapels 22' mit Sauerstoff oder Luft während der Abschaltvorgehensweise gespült werden. Dieser Spülvorgang spült einen Großteil oder den gesamten Wasserstoff von den Anodenströmungskanälen zusammen mit einer Spülung des Wassers, das sich in den Strömungskanälen des Brennstoffzellenstapels 22' angesammelt hat. Durch Spülen des Brennstoffzellenstapels 22' mit Luft vor dem Abschalten ist Luft oder Sauerstoff in sowohl den Kathodenströmungskanälen als auch Anodenströmungskanälen des Brennstoffzellenstapels 22' vorhanden, wenn der Brennstoffzellenstapel 22' gestartet werden soll.
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Ein anderer Weg, um dafür zu sorgen, dass Sauerstoff oder Luft in den Kathodenströmungskanälen des Brennstoffzellenstapels 22' beim Start vorhanden ist, besteht darin, die Kathodenströmungskanäle des Brennstoffzellenstapels 22' vor dem Abschalten des Brennstoffzellenstapels 22' mit einer übergroßen Menge an Sauerstoff oder Luft zu versorgen. Mit anderen Worten wird Sauerstoff oder Luft an die Kathodenströmungskanäle in einer Konzentration oder Menge geliefert, die erheblich größer als die stöchiometrische Menge ist, die auf Grundlage der Menge an Wasserstoff in den Anodenströmungskanälen des Brennstoffzellenstapels 22' erforderlich ist. Das Ergebnis besteht darin, dass, wenn der Brennstoffzellenstapel 22' heruntergefahren wird, der Sauerstoff in den Kathodenströmungskanälen und der Wasserstoff in den Anodenströmungskanälen weiterhin verbraucht wird und der Brennstoffzellenstapel 22' eine Leerlaufspannung erzeugt. Die Leerlaufspannung verringert sich mit der Zeit, wenn der Wasserstoff und Sauerstoff in den jeweiligen Anoden- und Kathodenströmungskanälen des Brennstoffzellenstapels 22' verbraucht wird. Durch das Bereitstellen einer übergroßen Menge an Sauerstoff oder Luft in den Kathodenströmungskanälen ist, wenn der gesamte Wasserstoff in den Anodenströmungskanälen des Brennstoffzellenstapels 22' verbraucht ist, verbleibender Sauerstoff oder verbleibende Luft in den Kathodenströmungskanälen vorhanden, die in der Startphase des Brennstoffzellenstapels 22' verwendet werden kann.
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Ein anderer Weg, Sauerstoff an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 22' vor dem Startbetriebsablauf zu liefern, besteht dann, Sauerstoff in die Kathodenströmungskanäle vorzuladen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Brennstoffstapel 22' abgeschaltet wird und die Leerlaufspannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22' überwacht wird, wenn der verbleibende Sauerstoff und Wasserstoff in den jeweiligen Kathoden- und Anodenströmungskanälen verbraucht wird. Wenn die Stapelspannung auf ein vorbestimmtes Niveau abfällt, weist der Controller 48' das Gebläse 38' an, Sauerstoff an den Kathodeneinlass 34' des Brennstoffzellenstapels 22' zu liefern, um zusätzlichen Sauerstoff oder zusätzliche Luft in die Kathodenströmungskanäle vorzuladen oder vorzusehen. Die Menge an Sauerstoff, die an die Kathodenströmungskanäle während des Vorladevorgangs geliefert wird, sollte ausreichend sein, so dass eine gewünschte Sauerstoffmenge darin verbleibt, nachdem der verbleibende Wasserstoff in den Anodenströmungskanälen des Brennstoffzellenstapels 22' verbraucht ist. Somit existieren zumindest drei verschiedene Wege, über die der Brennstoffzellenstapel 22' abgeschaltet werden kann, um sicherzustellen, dass sich Sauerstoff in den Kathodenströmungskanälen für einen nachfolgenden Startbetrieb des Brennstoffzellenstapels 22' befindet.
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Gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung wird, wenn ein Brennstoffzellenstapel 22' gestartet werden soll, Wasserstoff an den Anodeneinlass 30' durch Öffnen des Ventils 28 geliefert, wodurch Wasserstoff von der Quelle 24 in die Anodenströmungskanäle strömen kann. Der Wasserstoff in den Anodenströmungskanälen und die existierende Luft oder der existierende Sauerstoff in den Kathodenströmungskanälen ermöglicht, dass von dem Brennstoffzellenstapel 22' elektrische Energie erzeugt werden kann.
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Wenn der Controller 48' bestimmt, dass von dem Brennstoffzellenstapel 22' elektrische Energie erzeugt wird, weist der Controller 48' das Gebläse 38' an, Energie von dem Brennstoffzellenstapel 22' zu ziehen, und beginnt, zusätzlichen Sauerstoff von der Sauerstoffquelle 26' an den Kathodeneinlass 34' des Brennstoffzellenstapels 22' zu liefern. Der Controller 48' übernimmt auch die Steuerung des Wasserstoffversorgungsventils 28'. Die Spannung des Brennstoffzellenstapels 22' steigt aufgrund des in den jeweiligen Kathoden- und Anodenströmungskanälen befindlichen Sauerstoffs und Wasserstoffs an. Der Controller 48' kann die Menge an Luft, die an den Kathodeneinlass 34' geliefert wird, mit dem Sensor 50 überwachen und die Menge an Sauerstoff oder Luft, die an den Einlass 34' geliefert wird, demgemäß einstellen.
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Wenn die von dem Brennstoffzellenstapel 22' erzeugte Spannung zunimmt, weist der Controller 48' den Motor 44' an, eine Last auf dem Brennstoffzellenstapel 22' aufzubringen, der langsam beginnt, den Kompressor 32' anzutreiben, der zusätzliche Luft oder zusätzlichen Sauerstoff an die Kathodenströmungskanäle des Brennstoffzellenstapels 22' liefert. Die an den Brennstoffzellenstapel 22' angelegte Last wird dann allmählich erhöht, indem die Last des Motors 44' erhöht wird, bis das System ausreichend Nettoleistung erzeugt, um unter normalen Betriebsbedingungen zu arbeiten. Der Betrieb des Gebläses 38' wird beendet, wenn die Erzeugung von elektrischer Leistung durch den Brennstoffzellenstapel 22' ausreichend ist, den Kompressor 32' auf einem Niveau anzutreiben, das den benötigten Sauerstoff an die Kathodenströmungskanäle des Brennstoffzellenstapels 22' liefert, um die Erhöhung der Produktion des Brennstoffzellenstapels 22' auf das Betriebsniveau hin weiter fortzusetzen.
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Die Steuerung des Gebläses 38', des Kompressors 32' und des Ventils 28' ist im Wesentlichen gleich der, die oben unter Bezugnahme auf das Brennstoffzellensystem 20, das in 1 gezeigt ist, beschrieben ist. Demgemäß kann der Controller 48' dazu verwendet werden, die von dem Brennstoffzellenstapel 22' erzeugte Spannung zu überwachen und den Betrieb des Gebläses 38', des Kompressors 32' und/oder des Ventils 28' zu steuern. Das Brennstoffzellensystem 20' kann auch auf einer Basis einer Steuerung mit Steuerkette betrieben werden, ohne dass es erforderlich ist, dass der Controller 48' die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22' überwachen muss. Somit kann das Brennstoffzellensystem 20' ohne die Verwendung einer Niederspannungsenergiequelle und durch die Verwendung des Niederspannungsgebläses 38' gestartet werden, was die Kosten wie auch die Anzahl der DC/DC-Wandler verringert, die erforderlich sind, um den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22' einzuleiten.
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Die vorliegende Erfindung sieht auch ein alternatives Betriebsverfahren eines Brennstoffzellensystems ohne eine Niederspannungsenergiequelle vor. Genauer sieht die vorliegende Erfindung ein alternatives Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems 20' vor, das den Brennstoffzellenstapel 22' in einer Bereitschaftsbetriebsart beibehält, wenn kein Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels 22 gefordert wird. Bei diesem Verfahren wird der Brennstoffzellenstapel 22' als eine Batterie betrieben, um eine Niederspannungsleistung an das Gebläse 38' zu liefern und damit einen Start des Brennstoffzellenstapels 22' zu ermöglichen.
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Gemäß diesem Verfahren wird der Brennstoffzellenstapel 22' in einer Bereitschaftsbetriebsart betrieben, wenn kein Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels 22' gefordert ist. Dies bedeutet, dass der Brennstoffzellenstapel 22' in einer Bereitschaftsbetriebsart gehalten wird, so dass der Brennstoffzellenstapel 22' eine Spannungsabgabe aufweist, die während eines Starts des Brennstoffzellenstapels 22' verwendet werden kann, wenn der Brennstoffzellenstapel 22' normal betrieben werden soll. Der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22' in einer Bereitschaftsbetriebsart beginnt damit, dass der Brennstoffzellenstapel 22' aus einem vorher erfolgten normalen Betriebszustand abgeschaltet wird. Die Spannung des Brennstoffzellenstapels 22' nimmt ab, wenn der verbleibende Sauerstoff und verbleibende Wasserstoff in den jeweiligen Kathoden- und Anodenströmungskanälen des Brennstoffzellenstapels 22' verbraucht wird. Die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22' wird durch den Controller 48' überwacht und über einem vorbestimmten minimalen Wert gehalten. Dies bedeutet, dass die Spannung des Brennstoffzellenstapels 22' auf ein voreingestelltes Niveau abnehmen kann, bevor er betrieben wird, um zusätzliche Spannung zu erzeugen, so dass die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22' über dem vorbestimmten minimalen Wert gehalten wird.
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Um die Spannung über dem vorbestimmten minimalen Wert zu halten, überwacht der Controller 48' die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22' und weist ggf. das Wasserstoffventil 28' an, zusätzlichen Wasserstoff an den Anodeneinlass 30' des Brennstoffzellenstapels 22' einzuführen, und weist das Gebläse 38' an, zusätzlichen Sauerstoff von der Sauerstoffquelle 26 an den Kathodeneinlass 34' des Brennstoffzellenstapels 22' zu liefern. Durch selektive Zugabe von zusätzlichem Wasserstoff und Sauerstoff zu den jeweiligen Anoden- und Kathodenseiten des Brennstoffzellenstapels 22' kann die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22' gesteuert und über dem vorbestimmten minimalen Wert gehalten werden. Die Zugabe von zusätzlichem Sauerstoff und/oder Wasserstoff hat zur Folge, dass die Spannungsgabe des Brennstoffzellenstapels 22' zunimmt oder auf einem vorbestimmten minimalen Wert gehalten wird, wenn der Sauerstoff und Wasserstoff verbraucht werden. Die von dem Brennstoffzellenstapel 22' erzeugte Leistung kann dann wiederum abklingen oder abnehmen, bis das Niveau erreicht ist, bei dem der Controller 48' wiederum anweist, dass Wasserstoff und Sauerstoff an die jeweiligen Anoden- und Kathodenseiten des Brennstoffzellenstapels 22' über das Ventil 28' und das Gebläse 38' geliefert werden muss. Dieser Prozess dauert so lange an, bis ein Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels 22' gefordert wird und ein Startbetrieb eingeleitet wird. Alternativ dazu kann der Controller 48' das Wasserstoffventil 28' und das Gebläse 38' anweisen, einen stetigen geringen Strom aus Wasserstoff und Sauerstoff an die jeweiligen Anoden- und Kathodenseiten des Brennstoffzellenstapels 22' zu liefern, um damit die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22' bei oder oberhalb eines vorbestimmten minimalen Wertes zu halten. Bei jedem dieser Wege wird die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22' bei oder oberhalb eines vorbestimmten minimalen Wertes gehalten, so dass ausreichend Leistung, die von dem Brennstoffzellenstapel 22' erzeugt wird, vorhanden ist, um den Controller 48', das Ventil 28' und das Gebläse 38' zu betreiben.
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Wenn ein Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels 22' gefordert wird, schaltet der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22' von der Bereitschaftsbetriebsart auf eine Startbetriebsart um. Während der Startbetriebsart wirkt der Brennstoffzellenstapel 22 als eine Niederspannungsenergiequelle, um das Brennstoffzellensystem 20' zu starten. Die Verfügbarkeit der Niederspannungsenergiequelle ermöglicht, dass das Brennstoffzellensystem 20' unter Verwendung von einem der Verfahren gestartet werden kann, die oben in Bezug auf das Brennstoffzellensystem 20' und/oder in Bezug auf das Brennstoffzellensystem 20 beschrieben sind, wobei die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22' anstelle der der Niederspannungsenergiequelle 46 verwendet wird.
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Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung einen Start eines Brennstoffzellensystems unter Verwendung eines Niederspannungsgebläses anstelle eines Hochspannungskompressors vor. Die Verwendung eines Niederspannungsgebläses beseitigt den Bedarf nach DC/DC-Wandlern, um eine Niederspannungsleistung in eine Hochspannungsleistung zum Antrieb eines Hochspannungskompressors umzuwandeln. Das Niederspannungsgebläse verringert auch die Größe der Niederspannungsenergiequelle, die erforderlich ist, um das Brennstoffzellensystem zu starten. Die vorliegende Erfindung offenbart auch einen Weg, über den der Brennstoffzellenstapel als die Niederspannungsenergiequelle verwendet werden kann, so dass ein Brennstoffzellensystem ohne die Anwesenheit einer anderen Energiequelle, als der, die durch den Brennstoffzellenstapel gebildet wird, gestartet und betrieben werden kann.
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Es sei angemerkt, dass Änderungen und Abwandlungen der Brennstoffzellensysteme 20, 20' ohne Abweichung vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Beispielsweise können Rückschlagventile 40, 42 durch computergesteuerte Solenoidventile ersetzt werden. Die Rückschlagventile 40, 42 können auch durch ein Dreiwegeventil ersetzt werden, das Luftströmung von dem Gebläse und dem Kompressor in Einklang bringt.
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Zusammengefasst ist eine Ausführung eines Brennstoffzellensystems und eines Verfahrens zu dessen Betrieb vorgesehen, die den Start des Brennstoffzellensystems vereinfachen. Das Brennstoffzellensystem kann ohne die Verwendung von über Batterie abgeleiteter Hochspannungsleistung, um einen Hochspannungskompressor anzutreiben, gestartet werden. Die vorliegende Erfindung sieht die Verwendung eines Niederspannungsgebläses vor, um Sauerstoff an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels zu liefern und damit einen Start des Brennstoffzellenstapels ohne die anfängliche Verwendung eines Hochspannungskompressors zu ermöglichen. Das Niederspannungsgebläse kann von einer Niederspannungsenergiequelle und/oder der von dem Brennstoffzellenstapel erzeugten Spannung betrieben werden.