DE10393032T5

DE10393032T5 - Steuersystem und Verfahren zum Starten einer gefrorenen Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE10393032T5
Application number: DE10393032T
Authority: DE
Inventors: Eric L. Thompson; Robert L. Fuss
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-08-16
Filing date: 2003-08-07
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2023-08-08
Also published as: WO2004017444A2; US20040033396A1; AU2003265378A1; WO2004017444A3; DE10393032B4; AU2003265378A8; US6887598B2

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenstapels, der Gefriertemperaturen ausgesetzt ist, umfassend, dass:
vor einem längeren Halten bei Gefriertemperaturen der Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels beendet wird; und
eine Befeuchtung von Reaktanden, die an eine Anode und/oder eine Kathode des Brennstoffzellenstapels geliefert werden, unterbrochen wird, um nicht befeuchtete Reaktanden vorzusehen; und
die Anode und/oder Kathode mit den nicht befeuchteten Reaktanden gespült wird, um Einlassbereiche des Brennstoffzellenstapels freizumachen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere ein Steuersystem und -verfahren zum Starten einer gefrorenen Brennstoffzelle.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Brennstoffzellen erzeugen Leistung, die potentiell bei einer Vielzahl verschiedener Anwendungen verwendet werden kann. Brennstoffzellen können schließlich Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen und Lastkraftwägen ersetzen. Brennstoffzellen können auch für häusliche und gewerbliche Zwecke verwendet werden. Es existieren viele verschiedene Typen von Brennstoffzellen. Beispielsweise umfasst eine Brennstoffzelle mit Festpolymerelektrolytmembran (PEM) eine Membran, die zwischen eine Anode und eine Kathode geschichtet ist. Um Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zu erzeugen, wird Wasserstoff (H₂) an die Anode und Luft oder Sauerstoff (O₂) an die Kathode geliefert.

Bei einer ersten Halbzellenreaktion erzeugt die Aufspaltung des Wasserstoffs (H₂) an der Anode Wasserstoffprotonen (H⁺) und Elektronen (e^–). Da die Membran protonenleitend und dielektrisch ist, werden die Protonen durch die Membran hindurch transportiert. Die Elektronen fließen durch eine elektrische Last, die über die Elektroden geschaltet ist. Bei einer zweiten Halbzellenreaktion reagiert Sauerstoff (O₂) an der Kathode mit Protonen (H⁺) und es werden Elektronen (e^–) aufgenommen, um Wasser (H₂O) zu bilden.

Bei der Entwicklung von Brennstoffzellensystemen für spezifische Anwendungen, wie beispielsweise Fahrzeuge, überwacht ein Bediener, wie beispielsweise ein Ingenieur oder Techniker, die Startphase wie auch den Betrieb des Brennstoffzellenstapels unter gesteuerten Bedingungen. Der Bediener steuert manuell Stapelbetriebsparameter, wie beispielsweise Reaktanden- und Kühlströmungsraten und -temperaturen wie auch einen an den Brennstoffzellenstapel angelegten Laststrom. Neuerdings hat eine Ausstattung zum Prüfen von Brennstoffzellenstapeln gewisse Prüfvorgänge von Brennstoffzellenstapeln automatisiert. Der Bediener muss nicht anwesend sein, wenn der Brennstoffzellenstapel in Betriebsarten mit mittlerer bis hoher Abgabeleistung betrieben wird. Wenn der Brennstoffzellenstapel bei Betriebsarten mit niedrigerer Abgabeleistung geprüft wird, sollte der Bediener bei Betrieb anwesend sein.

Es ist eine optimale Menge an Reaktandengas vorgesehen, die an den Brennstoffzellenstapel geliefert werden sollte, um einen gewünschten Laststrom zu unterstützen. Gewöhnlich liefern Steuersysteme eine zusätzliche Menge an Reaktandengas an den Brennstoffzellenstapel, um Systemleckagen wie auch -unzulänglichkeiten zu berücksichtigen, und um zu ermöglichen, dass der Brennstoffzellenstapel glatter arbeitet. Wenn Brennstoffzellenstapel als Antriebsanlagen in Fahrzeugen installiert sind, erfordern die zusätzlichen Reaktanden, die an den Brennstoffzellenstapel geliefert werden, größere Brennstoffzellenstapelkomponenten und verringern den Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels. Diese Faktoren führen zu größeren Herstellungskosten aufgrund der größeren Komponenten. Die Betriebskosten sind aufgrund des zusätzlichen Reaktandengases ebenfalls erhöht. Brennstoffzellen werden derzeit dahingehend getestet und erforscht, um die zusätzlichen Reaktanden, die an den Brennstoffzellenstapel geliefert werden, zu verringern.

Während des Testens, um die genaue Menge von Reaktanden zu bestimmen, die erforderlich sind, wird der Brennstoffzellenstapel oftmals in einer Betriebsart mit einer niedrigen oder relativ schwachen Leistung betrieben. Manchmal fällt die Brennstoffzellenspannungsabgabe auf Null oder kehrt das Potential um, wobei beides die MEA des Brennstoffzellenstapels beschädigen kann. Der Bediener überwacht den Brennstoffzellenstapel bei diesem Testtyp gewöhnlich sogar dann, wenn eine automatisierte Testausstattung vorhanden ist. Wenn die Brennstoffzellenspannung schnell abfällt oder ihr Potential wechselt, muss der Bediener den Brennstoffzellenstapel schnell abschalten, um einen Schaden zu verhindern.

Es existieren auch andere Situationen, bei denen eine genaue Steuerung des Brennstoffzellenstapels erforderlich ist. Der Brennstoffzellenstapel kann leicht bei oder nahezu bei Raumtemperatur gestartet werden. Bei diesen Temperaturen liefert der Brennstoffzellenstapel den vollen Nennstrom relativ schnell, typischerweise innerhalb von 5–8 Sekunden nach der Lieferung der Reaktanden. Wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels nahezu bei oder unterhalb der Gefriertemperatur ist, ist beim Start des Brennstoffzellenstapels Vorsicht geboten, um einen Schaden zu vermeiden. Wenn der Laststrom vor einem Auftauen steigt, können einzelne Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel ausfallen.

Der Ausfall der einzelnen Brennstoffzellen verhindert, dass der Brennstoffzellenstapel den vollen Nennlaststrom liefern kann. Das restliche gefrorene Wasser verlangsamt Reaktionsraten, da weniger aktive Zentren zur Reaktion verfügbar sind. Daher können durch den gefrorenen Brennstoffzellenstapel keine schnellen Erhöhungen des Laststroms gehandhabt werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung steuert einen Strom, der durch einen Brennstoffzellenstapel an eine Last geliefert wird. In einem Brennstoffzellenstapel wird eine minimale Spannung einer Vielzahl von Brennstoffzellen überwacht. Der Laststrom, der von dem Brennstoffzellenstapel bereit gestellt wird, wird erhöht, wenn der minimale Brennstoffzellenspannungswert einen ersten Spannungswert überschreitet.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird der Laststrom, der von dem Brennstoffzellenstapel bereit gestellt wird, verringert, wenn der minimale Brennstoffzellenspannungswert kleiner als ein zweiter Spannungswert ist. Der Laststrom, der von der Brennstoffzelle geliefert wird, wird beibehalten, wenn die minimale Brennstoffzellenspannung zwischen dem ersten und zweiten Spannungswert liegt. Der Laststrom wird basierend auf einer Differenz zwischen der minimalen Brenn stoffzellenspannung und dem ersten und zweiten Spannungswert erhöht, verringert oder beibehalten.

Bei einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Leerlaufspannung des Brennstoffzellenstapels gemessen, bevor Strom an die Last geliefert wird. Der Leerlaufspannungswert wird mit einem Soll-Leerlaufspannungswert verglichen. Ein Betrieb des Brennstoffzellenstapels wird beendet, wenn der Leerlaufspannungswert den Soll-Leerlaufwert nicht überschreitet.

Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung ist im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine Schnittansicht einer Membranelektrodenanordnung (MEA) einer Brennstoffzelle zeigt;
2 ein Funktionsblockschaubild eines beispielhaften Steuersystems für einen Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
3A, 3B, 3C und 3D Flussschaubilder sind, die Schritte zum Starten eines gefrorenen Brennstoffzellenstapels zeigen, die von dem Steuersystem in 2 ausgeführt werden; und
4A und 4B Flussschaubilder sind, die Schritte zum Steuern eines Laststroms basierend auf einer minimalen Brennstoffzellenspannung zeigen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Das Brennstoffzellensteuersystem gemäß der vorliegenden Erfindung steuert einen Laststrom, der von der Brennstoffzelle geliefert wird, indem eine minimale Brennstoffzellenspannung von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel überwacht wird. Die minimale Brennstoffzellenspannung wird mit einem ersten und zweiten Spannungswert verglichen. Auf Grundlage einer Differenz zwischen der minimalen Brennstoffzellenspannung und dem ersten und zweiten Spannungswert erhöht, verringert oder behält das Brennstoffzellensteuersystem den Laststrom, der von dem Brennstoffzellenstapel bereit gestellt wird, bei.
Das Brennstoffzellensteuersystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Verbindung mit einer Vorgehensweise zum Starten einer gefrorenen Brennstoffzelle beschrieben. Das Steuersystem kann jedoch auch zu anderen Zwecken verwendet werden. Beispielsweise kann das Brennstoffzellensteuersystem dazu verwendet werden, Brennstoffzellenstapel bei einem Entwicklungstest zu überwachen. Insbesondere ist das Brennstoffzellensteuersystem zum Testen bei Betriebsarten mit niedriger Leistungsabgabe geeignet, um eine genaue Menge an Reaktandengas, die zum Betrieb der Brennstoffzelle erforderlich ist, zur Optimierung des Brennstoffwirkungsgrades zu bestimmen.
In der Startphase können von einem gefrorenen Brennstoffzellenstapel keine schnellen Erhöhungen des Laststroms erreicht werden. Der gefrorene Brennstoffzellenstapel kann jedoch niedrigere Lastströme liefern. Der Laststrom, der geliefert wird, sollte niedrig genug sein, um eine umgekehrte Vorspannung über eine der Brennstoffzellen zu verhindern. Wenn der Brennstoffzellenstapel die niedrigen Lastströme liefert, breitet sich Wärme über den Brennstoffzellenstapel hinweg aus. Die Temperatur des Brennstoffzellenstapels und die Anzahl verfügbarer aktiver Zentren steigt mit der Zeit an. Der Laststrom, der von dem Brennstoffzellenstapel geliefert werden kann, steigt ebenfalls mit der Zeit an. Die Membran des Brennstoffzellenstapels heizt sich relativ schnell auf, nachdem Strom erzeugt wird. Jedoch bleibt eine bipolare Platte für eine längere Dauer bei niedrigeren Temperaturen. Wasser, das an der bipolaren Platte gefriert, kann zusätzliche Probleme bewirken, wenn dies von dem Startverfahren des Brennstoffzellensteuersystems nicht berücksichtigt wird.
Die vorliegende Erfindung wird anhand 1 in Verbindung mit einer Brennstoffzelle 10 beschrieben, die eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 12 umfasst. Für Fachleute ist offensichtlich, dass auch andere Typen von Brennstoffzellen erwogen und ohne Abweichung von der Erfindung verwendet werden können. Bevorzugt ist die MEA 12 eine Protonenaustauschmembran (PEM). Die MEA 12 umfasst eine Membran 14, eine Kathode 16 und eine Anode 18. Die Membran 14 ist zwischen die Kathode 16 und die Anode 18 geschichtet.
Benachbart der Kathode 16 gegenüberliegend der Membran 14 ist ein Kathodendiffusionsmedium 20 schichtartig angeordnet. Ein Anodendiffusionsmedium 24 ist benachbart der Anode 18 gegenüberliegend der Membran 14 schichtartig angeordnet. Die Brennstoffzellenanordnung 10 umfasst ferner einen Kathodenströmungskanal 26 und einen Anodenströmungskanal 28. Der Kathodenströmungskanal 26 empfängt und lenkt Luft oder Sauerstoff (O₂) von einer Quelle an das Kathodendiffusionsmedium 20. Der Anodenströmungskanal 28 empfängt und lenkt Wasserstoff (H₂) von einer Quelle an das Anodendiffusionsmedium 24.
Bei der Brennstoffzellenanordnung 10 ist die Membran 14 eine für Kationen durchlässige, protonenleitende Membran mit H⁺-Ionen als dem mobilen Ion. Das Brennstoffgas ist Wasserstoff (H₂) und das Oxidationsmittel ist Sauerstoff oder Luft (O₂). Die Gesamtzellenreaktion umfasst die Oxidation von Wasserstoff zu Wasser, und die jeweiligen Reaktionen an der Anode 18 und der Kathode 16 sind wie folgt:
H₂ = 2H⁺ + 2e^–
0,5 O₂ + 2H⁺ + 2e^– = H₂O
Da Wasserstoff als das Brennstoffgas verwendet wird, ist das Produkt der Gesamtzellenreaktion Wasser. Typischerweise wird das Wasser, das erzeugt wird, an der Kathode 16 abgewiesen, die eine poröse Elektrode mit einer Elektrokatalysatorschicht auf der Sauerstoffseite ist. Das Wasser kann gesammelt werden, wenn es gebildet wird, und kann von der MEA 12 der Brennstoffzellenanordnung 10 auf herkömmliche Art und Weise weggeführt werden.
Die Zellenreaktion erzeugt einen Protonenaustausch in einer Richtung von dem Anodendiffusionsmedium 24 zu dem Kathodendiffusionsmedium 20. Auf diese Art und Weise erzeugt die Brennstoffzellenanordnung 10 Elektrizität. Eine elektrische Last 30 ist elektrisch über eine erste Platte 32 und eine zweite Platte 34 der MEA 12 geschaltet, um die Elektrizität aufzunehmen. Die Platten 32 und/oder 34 sind bipolare Platten, wenn eine Brennstoffzelle benachbart der jeweiligen Platte 32 oder 34 angeordnet ist, oder sind Endplatten, wenn keine Brennstoffzelle benachbart dazu angeordnet ist.
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst ein beispielhaftes Steuersystem 50 für einen Brennstoffzellenstapel einen Controller 51, der mit einer Last 52 verbunden ist. Ein Brennstoffzellenstapel 54 liefert Strom an die Last 52. Der Controller 51 steuert den Strom, der von dem Brennstoffzellenstapel 54 geliefert wird, während des Testens, dem Starten eines gefrorenen Brennstoffzellenstapels oder unter anderen geeigneten Umständen auf Grundlage einer minimalen Zellenspannungsleistung.
Die Reaktanden 56 werden an einen Anodeneinlass 58 des Brennstoffzellenstapels 54 geliefert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Reaktanden 56, die an den Anodeneinlass 58 geliefert werden, Wasserstoff oder Reformat. Die Reaktanden 56 werden an einen Kathodeneinlass 60 des Brennstoffzellenstapels 54 geliefert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Reaktanden 56, die an den Kathodeneinlass 60 geliefert werden, Luft oder Sauerstoff. Eine Befeuchtungseinrichtung oder andere Vorrichtung (nicht gezeigt) steuert selektiv die Befeuchtung der Reaktanden. Die Befeuchtungseinrichtung oder andere Vorrichtung ist typischerweise zwischen der Reaktandenquelle 56 und dem Brennstoffzellenstapel 54 angeordnet.
Ein erster Temperatursensor 62 überwacht die Temperatur eines Anodenauslasses 64. Ein zweiter Temperatursensor 66 überwacht die Temperatur eines Kathodenauslasses 70. Der erste und zweite Temperatursensor 62 und 66 sind bevorzugt mit dem Controller 51 verbunden und liefern ein erstes und zweites Temperatursignal, das der Temperatur des Anodenauslasses 64 bzw. des Kathodenauslasses 70 zugeordnet ist. Der Ausgang des Brennstoffzellenstapels 54 ist mit einem DC/DC-Wandler 74 verbunden, der mit der Last 52 verbunden ist. Eine Brennstoffzellenspannungsüberwachungseinrichtung 76 überwacht die Spannung jeder Brennstoffzelle, von Gruppen von Brennstoffzellen (wie beispielsweise 4 Brennstoffzellen) und/oder des gesamten Brennstoffzellenstapels 54. Bei einer bevorzugten Betriebsart überwacht die Brennstoffzellenspannungsüberwachungseinrichtung 76 die Spannung jeder Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel 54. Eine Kühlmittelpumpe 80 pumpt Kühlmittel von einem Auslass zu einem Einlass des Brennstoffzellenstapels 54. Ein Temperatursensor 82 ist benachbart des Auslasses des Brennstoffzellenstapels angeordnet und mit dem Controller 51 verbunden. Der Controller 51 betreibt die Kühlmittelpumpe.
Um die vorliegende Erfindung besser darstellen zu können, wird ein Verfahren zum Starten einer gefrorenen Brennstoffzelle beschrieben. Die vorliegende Erfindung besitzt jedoch zusätzliche Anwendungen, wie beispielsweise beim Testen oder bei anderen geeigneten Situationen. In den 3A–3D ist ein Verfahren zum Starten eines gefrorenen Brennstoffzellenstapels gezeigt, das allgemein mit 100 bezeichnet ist. Die Steuerung beginnt mit Schritt 102. Bei Schritt 104 beendet der Controller 51 einen normalen Betrieb des Brennstoffzellenstapels 54. Bei Schritt 106 startet der Controller 51 einen ersten Zeitgeber. Bei Schritt 108 unterbricht der Controller 51 eine Befeuchtung der Reaktanden 56. Bei Schritt 110 spült der Controller 51 die Anode und Kathode des Brennstoffzellenstapels 54 mit trockenen Reaktanden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Anode und Kathode jeweils mit 0,1 bis 25 Standardkubikzentimeter/Zelle/cm² über eine Zeitdauer von 1 bis 600 Sekunden gespült. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Anode und Kathode jeweils mit 8,71 Standardkubikzentimeter/Zelle/cm² für etwa eine Minute gespült. Bei Schritt 112 bestimmt der Controller 51, ob der erste Zeitgeber hochgezählt hat. Wenn dies nicht der Fall ist, kehrt die Steuerung zu Schritt 110 zurück.
Es ist nicht nötig, das gesamte Wasser durch die vorhergehenden Schritte von dem Brennstoffzellenstapel zu entfernen. Diese Schritte säubern bevorzugt die Zelleneinlassbereiche, die mit Eis blockiert werden können. Wenn die Zelleneinlassbereiche mit Eis blockiert sind, wird ein Start verhindert. Diese Schritte entfernen auch Wasser von den Reaktandenströmungsfeldern. Bei einer alternativen Ausführungsform wird ein Kathodenluftkompressor (nicht gezeigt) dazu verwendet, Luft an die Anode und Kathode (entweder simultan oder nacheinander durch die Verwendung einer speziell ausgebildeten Verrohrung) während der Spülschritte zu liefern. Die Verwendung des Kathodenluftkompressors beseitigt Wasserstoffemissionen und/oder den Bedarf, die Anodenreaktanden unterstromig des Brennstoffzellenstapels 54 zu verbrennen, was typischerweise auftritt, wenn nur Reaktanden zum Spülen verwendet werden. Zusätzlich wird in den Strömungsfeldkanälen enthaltendes Kühlmittel ebenfalls zu diesem Zeitpunkt optional entfernt.
Wenn der erste Zeitgeber hochgezählt hat, fährt die Steuerung mit Schritt 120 fort, bei dem der Controller 51 Kühlmittel von dem Brennstoffzellenstapel 54 abzieht. Bei Schritt 124 wird der Brennstoffzellenstapel 54 längere Zeit bei Gefrierbedingungen (engl. "soaked in freezing conditions") gehalten. Mit anderen Worten wird die Brennstoffzelle bei Temperaturen unterhalb 0°C für eine längere Zeitdauer abgeschaltet.
Einige Zeit später startet der Bediener des Fahrzeugs die Brennstoffzelle neu. Bei Schritt 128 werden trockene Reaktanden an den Brennstoffzellenstapel 54 geliefert. Bevorzugt werden die trockenen Reaktanden in einer Höhe geliefert, die ein erstes vorbestimmtes Stromniveau unterstützt. Bei diesem Schritt werden die trockenen Reaktanden bevorzugt mit einer höheren Stöchiometrie geliefert, als der Brennstoffzellenstapel während des Antriebs des Fahrzeugs ausgesetzt wird. Luft (Luftablass) oder O₂ von bis zu 25% wird mit den Anodenreaktanden geliefert. Dies hat eine exotherme Reaktion mit dem Wasserstoff in Anwesenheit der mit Pt beschichteten MEA zur Folge. Die Wärme, die aus dieser Reaktion abgegeben wird, erleichtert das Auftauen des Brennstoffzellenstapels, steigert die Reaktionsraten und resultiert schließlich in schnelleren Startzeiten bei gefrorenen Temperaturen. Der Sauerstoff, der in der Anodenseite vorhanden ist, verbraucht einigen Wasserstoff, der normalerweise zur Aufspaltung und dazu vorhanden ist, um zu der Brennstoffzellenreaktion, die Elektrizität erzeugt, beizutragen. Es ist daher notwendig, diesen H₂ zu berücksichtigen, der mit dem O₂ reagiert, indem die Anodenversorgung mit zusätzlichem H₂ oder Reformat ergänzt wird. Bei Schritt 130 werden die Wasserstoffniveaus hinsichtlich des Verbrauchs durch den Brennstoffzellenstapel 54 korrigiert.
Wenn beispielsweise eine Beschleunigung des Fahrzeugs eine maximale Stromdichte von 0,6 A/cm² erfordert, beträgt eine geeignete Stromdichte für die anfänglichen Reaktandenströmungen etwa 0,8 A/cm². Die Lieferung der trockenen Reaktanden erfolgt bevorzugt bei dem geringsten Druck, der vorgesehen werden kann. Die höhere Strömungsrate kombiniert mit dem niedrigeren Druck erzeugt maximale Gasgeschwindigkeiten durch den Brennstoffzellenstapel 54 hindurch. Die erhöhten Gasgeschwindigkeiten verbessern ein Mitreißen und eine Entfernung von Produkt- und/oder eintretendem Wasser. Dies minimiert die Gefahr, dass das Produktwasser und/oder eintretende Wasser an der bipolaren Platte gefriert und die Strömung von Reaktanden durch die Brennstoffzelle blockiert.
Beispielsweise kann die Lieferung der Anodenreaktanden mit 25% Luftablass und Wasserstoff, der hinsichtlich des Verbrauchs korrigiert ist, vorgesehen werden, um die Brennstoffzelle bereits zu frühen Stufen eines Starts bei gefrorenen Bedingungen aufzuwärmen. Der Ano denluftablass bleibt bevorzugt solange bestehen, bis die Anodenauslasstemperatur 0°C erreicht, wobei zu diesem Zeitpunkt der Luftablass geschlossen wird und die Wasserstoffverbrauchskorrektur nicht mehr benötigt wird. Es ist erwünscht, den Luftablass in die Anode bei dieser Temperatur zu stoppen, um sicherzustellen, dass die exotherme Reaktion endet. Dies verhindert eine Überhitzung und einen möglichen Schaden an der MEA.
Die trockenen Reaktanden werden solange geliefert, bis die Anodenauslasstemperatur 5°C erreicht. An diesem Punkt erlaubt die Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel eine Befeuchtung der Reaktanden. Ein Ausfall der Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels zu diesem Zeitpunkt verringert die Leistungsfähigkeit aufgrund des Austrocknens der Membran des Brennstoffzellenstapels. Auch kann eine Umwälzung von Kühlmittel in dem Brennstoffzellenstapel begonnen werden, wenn die Kathodenauslasstemperatur 50°C erreicht. Da das Kühlmittel kalt ist und der Brennstoffzellenstapel zu diesem Zeitpunkt vergleichsweise warm ist, ist es erwünscht, die Kühlmittelströmungsrate zu stufen oder allmählich aufzubauen, wenn sich die Kühlmittelauslasstemperatur aufwärmt. Wenn die Kühlmittelpumpe einfach mit voller Drehzahl eingeschaltet wird, resultiert der Andrang von kaltem eintretendem Kühlmittel in einer erheblichen Verringerung der Stapelspannungsleistungsfähigkeit. Es ist daher erwünscht, die anfängliche Kühlmittelströmungsrate zu begrenzen, so dass die Kühlmittelauslasstemperatur nicht unter eine vorgeschriebene Temperatur fällt. Beispielsweise sollte die anfängliche Kühlmittelströmungsrate so gesteuert werden, dass die Kühlmittelauslasstemperatur stets größer als die Kathodenauslasstemperatur ist. Wenn dies nicht zutrifft, wird die Drehzahl der Kühlmittelpumpe wie auch die Kühlmittelströmungsrate weiter verringert.
Sei Schritt 132 bestimmt der Controller 51, ob die Leerlauf-(LL)-Brennstoffzellen-(BZ)-Spannung größer als ein erster Wert ist. Experimentelle Daten haben gezeigt, dass die Wahrscheinlichkeit eher gering ist, dass Brennstoffzellenstapel mit schwachem Leerlaufspannungspotential (an diesem Punkt in dem Startprozess) ausgehend von Gefriertemperaturen erfolgreich starten können. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der erste vorbestimmte Spannungswert etwa 0,7 V oder mehr. Wenn die Leerlaufbrennstoffzellenspannung größer als ein erster Wert ist, endet die Steuerung bei Schritt 133.
Ansonsten startet die Steuerung einen Schleifenzeitgeber (engl. "loop timer") bei Schritt 134. Bei Schritt 135 vergleicht der Controller 51 die Brennstoffzellenspannung mit einem oder mehreren ersten Kalibrierungswerten. Bei Schritt 136 erhöht, wenn die Brennstoffzellenspannung größer als der obere Wert ist, der Controller 51 den Stromwert bei Schritt 137. Wenn die Brennstoffzellenspannung kleiner als ein niedrigerer Wert ist, wie bei Schritt 138 bestimmt ist, verringert der Controller 51 den Stromwert bei Schritt 139.
Bei Schritt 140 bestimmt der Controller 51, ob die Anodentemperatur > 0°C. Wenn dies zutrifft, fährt die Steuerung mit Schritt 141 fort, bei dem der Controller einen Luftablass an die Anode stoppt und eine Wasserstoffkorrektur stoppt. Wenn die Anodentemperatur nicht >0°C ist, bestimmt der Controller 51 bei Schritt 142, ob die Anodentemperatur >5°C ist. Wenn dies zutrifft, fährt die Steuerung mit Schritt 143 fort, bei dem die Reaktanden befeuchtet werden. Wenn die Anodentemperatur nicht >5°C ist, fährt die Steuerung mit Schritt 144 fort, bei dem der Controller 51 bestimmt, ob die Kathodenauslasstemperatur >50°C ist. Wenn dies der Fall ist, startet der Controller 51 die Kühlmittelpumpe bei Schritt 146. Bei Schritt 147 bestimmt der Controller 51, ob die Kühlmittelauslasstemperatur größer oder gleich der Kathodenauslasstemperatur ist. Wenn dies nicht der Fall ist, fährt die Steuerung mit Schritt 148 fort und verringert die Pumpendrehzahl.
Bei Schritt 150 bestimmt der Controller 51, ob der Laststrom größer als ein erster Stromwert ist. Wenn dies nicht der Fall ist, bestimmt die Steuerung bei Schritt 151, ob ein Schleifenzeitgeber hochgezählt hat. Wenn dies nicht der Fall ist, fährt die Steuerung mit Schritt 135 fort. Ansonsten fährt die Steuerung von den Schritten 150 und 151 mit Schritt 152 fort und startet einen zweiten Zeitgeber. Bei Schritt 154 verringert die Steuerung einen Laststrom auf einen stationären Wert. Bei Schritt 156 bestimmt die Steuerung, ob der Luftablass und die Wasserstoffkorrektur eingeschaltet sind. Wenn dies zutrifft, stoppt der Controller 51 den Anodenluftablass und die Wasserstoffkorrektur bei Schritt 158. Ansonsten fährt die Steuerung mit Schritt 160 fort, bei dem die Anoden- und Kathodenströmungen auf ein Niveau verringert werden, das einen stationären Betrieb unterstützt.
Bei Schritt 162 bestimmt die Steuerung, ob die Reaktanden befeuchtet sind. Wenn dies nicht der Fall ist, fährt der Controller mit Schritt 164 fort und bestimmt, ob die Anodenauslasstemperatur >5°C ist. Wenn dies der Fall ist, fährt die Steuerung mit Schritt 165 fort, bei dem die Reaktanden befeuchtet werden. Bei Schritt 166 bestimmt der Control ler 51, ob die Kühlmittelpumpe 80 eingeschaltet ist. Wenn dies nicht der Fall ist, bestimmt der Controller 51 bei Schritt 168, ob die Kathodenauslasstemperatur >50°C ist. Wenn dies zutrifft, startet der Controller bei Schritt 170 die Kühlmittelpumpe. Bei Schritt 171 bestimmt der Controller, ob die Kühlmittelauslasstemperatur größer als die Kathodenauslasstemperatur ist. Wenn dies nicht der Fall ist, senkt die Steuerung die Drehzahl der Kühlmittelpumpe 80 bei Schritt 172 ab und kehrt zu Schritt 171 zurück.
Bei Schritt 174 bestimmt der Controller 51, ob die Kathodenauslasstemperatur bei einer normalen Betriebstemperatur liegt. Wenn dies nicht der Fall ist, fährt die Steuerung mit Schritt 175 fort, bei dem der Controller 51 bestimmt, ob der zweite Zeitgeber hochgezählt hat. Wenn dies nicht der Fall ist, kehrt die Steuerung zu Schritt 162 zurück. Wenn die Kathodenauslasstemperatur sich bei einer normalen Betriebstemperatur befindet oder wenn der zweite Zeitgeber hochgezählt hat, fährt die Steuerung mit Schritt 177 fort, bei dem der Normalbetrieb wieder aufgenommen wird. Die Steuerung fährt mit Schritt 178 fort, bei dem der Controller 51 bestimmt, ob ein längeres Halten auf Gefriertemperatur erfolgt ist. Wenn ein längeres Halten auf Gefriertemperatur erfolgt ist, kehrt die Steuerung bei Schritt 179 zurück. Ansonsten führt die Steuerung bei Schritt 180 eine normale Abschaltung durch.
In den 4A und 4B ist ein beispielhaftes Verfahren zum Erhöhen und Absenken der Laststrom in inkrementellen Schritten auf Grundlage der Brennstoffzellenspannung gezeigt. Die Steuerung beginnt mit Schritt 200. Bei Schritt 202 wird ein Schleifenzeitgeber gestartet. Bei Schritt 204 vergleicht der Controller 51 die Brennstoffzellenspannung mit einem ersten Spannungswert V₁, wie beispielsweise 0,4 V. Wenn die Brennstoffzellenspannung größer als der erste Spannungswert V₁ ist, fährt die Steuerung mit Schritt 206 fort. Bei Schritt 206 vergleicht der Controller 51 die Brennstoffzellenspannung mit einem zweiten Spannungswert V₂, der größer als der erste Spannungswert V₁ ist. Wenn die Brennstoffzellenspannung kleiner als der zweite Spannungswert V₂ ist, wird der Brennstoffzellenstapel bei Schritt 208 betrieben. Bei Schritt 210 vergleicht der Controller 51 den Laststrom mit einem maximalen Laststrom I_MAX. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der maximale Laststrom I_MAX gleich 160 Ampere. Wenn der Laststrom nicht größer als der maximale Laststrom I_MAX ist, fährt die Steuerung mit Schritt 212 fort, bei dem der Controller 51 einen ersten Lastwert I₁, wie beispielsweise 4 Ampere, zu dem Laststrom addiert bzw. hinzufügt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform addiert Schritt 212 lediglich einen Teil des ersten Lastwertes, wenn der maximale Lastwert überschritten würde. Wenn der Laststrom größer oder gleich dem maximalen Laststrom I_MAX ist, fährt die Steuerung von Schritt 210 mit Schritt 216 fort.
Bei Schritt 216 bestimmt der Controller 51, ob der Schleifenzeitgeber hochgezählt hat. Wenn dies nicht der Fall ist, fährt die Steuerung mit Schritt 218 fort, bei dem der Laststrom mit einem zweiten vorbestimmten Laststromeinstellpunkt (normalerweise I_MAX) verglichen wird. Wenn der Laststrom größer als der zweite vorbestimmte Laststromeinstellpunkt ist, fährt die Steuerung mit Schritt 222 fort, bei dem die Brennstoffzelle betrieben wird und das Verfahren mit Schritt 224 endet. Wenn der Laststrom kleiner als der erste Einstellpunkt ist und der Schleifenzeitgeber nicht hochgezählt hat, fährt die Steuerung mit Schritt 204 fort.
Wenn die Brennstoffzellenspannung größer als der zweite Spannungswert V₂ ist, fährt die Steuerung mit Schritt 230 fort, bei dem das Steuersystem 50 die Zellenspannung mit einem dritten Spannungswert V₃ vergleicht. Der dritte Spannungswert V₃ ist größer als der zweite Spannungswert V₂. Wenn die Brennstoffzellenspannung kleiner als der dritte Spannungswert V₃ ist, wird der Brennstoffzellenstapel bei Schritt 232 betrieben. Bei Schritt 234 vergleicht der Controller 51 den Laststrom mit dem maximalen Laststrom I_MAX. Wenn der Laststrom kleiner als der maximale Laststrom I_MAX ist, fährt die Steuerung mit Schritt 236 fort, bei dem der Controller 51 einen zweiten Lastwert I₂ addiert, der größer als der erste Lastwert I₁ ist. Wenn beispielsweise der erste Lastwert I₁ 4 Ampere beträgt, kann der zweite Lastwert I₂ 5 Ampere betragen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform addiert Schritt 236 lediglich einen Teil des zweiten Lastwertes I₂, wenn der maximale Lastwert I_MAX überschritten würde. Wenn der Laststrom größer oder gleich dem maximalen Laststrom I_MAX ist, fährt die Steuerung von Schritt 234 mit Schritt 216 fort.
Wenn die Brennstoffzellenspannung größer als der dritte Spannungswert V₃ ist, fährt die Steuerung mit Schritt 240 fort, bei dem der Controller 51 die Zellenspannung mit einem vierten Spannungswert V₄ vergleicht. Der vierte Spannungswert V₄ ist größer als der dritte Spannungswert V₃. Wenn die Brennstoffzellenspannung kleiner als der vierte Spannungswert V₄ ist, wird der Brennstoffzellenstapel 54 bei Schritt 242 betrieben. Bei Schritt 244 vergleicht der Controller 51 den Laststrom mit dem maximalen Laststrom I_MAX. Wenn der Laststrom kleiner als der maximale Laststrom I_MAX ist, fährt die Steuerung mit Schritt 246 fort, bei dem der Controller 51 einen dritten Lastwert addiert, der größer als der zweite Lastwert I₂ ist. Wenn beispielsweise der zweite Lastwert I₂ 5 Ampere beträgt, kann der dritte Lastwert I₃ 6 Ampere betragen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform addiert Schritt 246 lediglich einen Teil des dritten Lastwertes I₃, wenn der maximale Lastwert I_MAX überschritten würde. Wenn der Laststrom größer oder gleich dem maximalen Laststrom I_MAX ist, fährt die Steuerung von Schritt 244 zu Schritt 216 fort.
Wenn die Brennstoffzellenspannung größer als der vierte Spannungswert V₄ ist, fährt die Steuerung mit Schritt 250 fort, bei dem der Controller 51 die Zellenspannung mit einem fünften Spannungswert V₅ vergleicht. Der fünfte Spannungswert V₅ ist größer als der vierte Spannungswert V₄. Wenn die Brennstoffzellenspannung kleiner als der fünfte Spannungswert V₅ ist, wird der Brennstoffzellenstapel 54 bei Schritt 252 betrieben. Bei Schritt 254 vergleicht der Controller 51 den Laststrom mit dem maximalen Laststrom I_MAX. Wenn der Laststrom kleiner als der maximale Laststrom I_MAX ist, fährt die Steuerung mit Schritt 256 fort, bei dem der Controller 51 einen vierten Lastwert I₄ addiert, der größer als der dritte Lastwert I₃ ist. Wenn beispielsweise der dritte Lastwert I₃ 6 Ampere beträgt, kann der vierte Lastwert I₄ 7 Ampere betragen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform addiert Schritt 256 lediglich einen Teil des vierten Lastwertes I₄, wenn der maximale Lastwert I_MAX überschritten würde. Wenn der Laststrom größer oder gleich dem maximalen Laststrom I_MAX ist, fährt die Steuerung von Schritt 254 mit Schritt 216 fort.
Wenn die Brennstoffzellenspannung größer als der fünfte Spannungswert V₅ ist, fährt die Steuerung mit Schritt 260 fort, bei dem der Controller 51 die Zellenspannung mit einem sechsten Spannungswert V₆ vergleicht. Der sechste Spannungswert V₆ ist größer als der fünfte Spannungswert V₅. Wenn die Brennstoffzellenspannung kleiner als der sechste Spannungswert V₆ ist, wird der Brennstoffzellenstapel bei Schritt 262 betrieben. Bei Schritt 264 vergleicht das Steuersystem 50 den Laststrom mit dem maximalen Laststrom I_MAX. Wenn der Laststrom kleiner als der maximale Laststrom I_MAX ist, fährt die Steuerung mit Schritt 266 fort, bei dem das Steuersystem 50 einen fünften Lastwert I₅ addiert, der größer als der vierte Lastwert I₄ ist. Wenn beispielsweise der vierte Lastwert I₄ 7 Ampere beträgt, kann der fünfte Lastwert I₅ 10 Ampere betragen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform addiert Schritt 266 lediglich einen Teil des fünften Lastwerts I₅, wenn der maximale Lastwert I_MAX überschritten würde. Wenn der Laststrom größer oder gleich dem maximalen Laststrom I_MAX ist, fährt die Steuerung von Schritt 264 zu Schritt 216 fort.
Wenn die Brennstoffzellenspannung größer als der sechste Spannungswert V₆ ist, fährt die Steuerung mit Schritt 272 fort, bei dem der Brennstoffzellenstapel 54 betrieben wird. Bei Schritt 274 vergleicht der Controller 51 den Laststrom mit dem maximalen Laststrom I_MAX. Wenn der Laststrom kleiner als der maximale Laststrom I_MAX ist, fährt die Steuerung mit Schritt 276 fort, bei dem der Controller 51 einen sechsten Lastwert I₆ addiert, der größer als der fünfte Lastwert I₅ ist. Wenn beispielsweise der fünfte Lastwert I₅ 10 Ampere beträgt, kann der sechste Lastwert I₆ 12 Ampere betragen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform addiert Schritt 276 lediglich einen Teil des sechsten Lastwerts I₆, wenn der maximale Lastwert überschritten würde. Wenn der Laststrom größer oder gleich dem maximalen Laststrom I_MAX ist, fährt die Steuerung von Schritt 274 zu Schritt 216 fort.
Wenn die Brennstoffzellenspannung kleiner als der erste Spannungswert V₁ ist, fährt die Steuerung von Schritt 204 zu Schritt 280 fort. Bei Schritt 280 vergleicht das Steuersystem 50 die Brennstoffzellenspannung mit einem siebten Spannungswert V₇. Der siebte Spannungswert V₇ ist kleiner als der erste Spannungswert V₁. Wenn die Brennstoffzellenspannung größer als der siebte Spannungswert V₇ ist, fährt die Steuerung mit Schritt 282 fort, bei dem die Brennstoffzelle betrieben wird. Bei Schritt 284 vergleicht das Steuersystem 50 den Laststrom mit Null. Wenn der Laststrom größer als Null ist, fährt die Steuerung mit Schritt 286 fort, bei dem der Controller 51 einen siebten Lastwert I₇ subtrahiert. Beispielsweise kann der siebte Lastwert I₇ 1 Ampere betragen. In einer bevorzugten Ausführungsform subtrahiert Schritt 286 gegebenenfalls nur einen Teil des siebten Lastwerts I₇, der erforderlich ist, um Null zu erreichen. Wenn der Laststrom gleich Null ist, fährt die Steuerung von Schritt 284 zu Schritt 216 fort.
Wenn die Brennstoffzellenspannung kleiner als der erste Spannungswert V₁ und der siebte Spannungswert V₇ ist, fährt die Steuerung mit Schritt 290 fort. Bei Schritt 290 vergleicht der Controller 51 die Brennstoffzellenspannung mit einem achten Spannungswert V₈. Der achte Spannungswert V₈ ist kleiner als der siebte Spannungswert V₇. Wenn die Brennstoffzellenspannung größer als der achte Spannungswert V₈ ist, fährt die Steuerung mit Schritt 292 fort, bei dem die Brennstoffzelle betrieben wird. Bei Schritt 294 vergleicht das Steuersystem 50 den Laststrom mit Null. Wenn der Laststrom größer als Null ist, fährt die Steuerung mit Schritt 296 fort, bei dem das Steuersystem 50 einen achten Lastwert I₈ subtrahiert. Beispielsweise kann der achte Lastwert I₈ 3 Ampere betragen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform subtrahiert Schritt 296 gegebenenfalls nur einen Teil des achten Lastwertes I₈, der erforder lich ist, um Null zu erreichen. Wenn der Laststrom gleich Null ist, fährt die Steuerung von Schritt 294 zu Schritt 216 fort.
Wenn die Brennstoffzellenspannung kleiner als der erste Spannungswert V₁ und der achte Spannungswert V₈ ist, fährt die Steuerung mit Schritt 300 fort. Bei Schritt 300 vergleicht der Controller 51 die Brennstoffzellenspannung mit einem neunten Spannungswert V₉. Der neunte Spannungswert V₉ ist kleiner als der achte Spannungswert V₈. Wenn die Brennstoffzellenspannung größer als der neunte Spannungswert V₉ ist, fährt die Steuerung mit Schritt 302 fort, bei dem die Brennstoffzelle betrieben wird. Bei Schritt 304 vergleicht der Controller 51 den Laststrom mit Null. Wenn der Laststrom größer als Null ist, fährt die Steuerung mit Schritt 306 fort, bei dem das Steuersystem 50 einen neunten Lastwert I₉ subtrahiert. Beispielsweise kann der neunte Lastwert I₉ 5 Ampere betragen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform subtrahiert Schritt 296 gegebenenfalls nur einen Teil des neunten Lastwerts I₉, um Null zu erreichen. Wenn der Laststrom gleich Null ist, fährt die Steuerung von Schritt 304 zu Schritt 216 fort.
Wenn die Brennstoffzellenspannung kleiner als der erste Spannungswert V₁ und der neunte Spannungswert V₉ ist, fährt die Steuerung mit Schritt 310 fort. Bei Schritt 310 vergleicht der Controller 51 die Brennstoffzellenspannung mit einem zehnten Spannungswert V₁₀. Der zehnte Spannungswert V₁₀ ist kleiner als der neunte Spannungswert V₉. Wenn die Brennstoffzellenspannung größer als der zehnte Spannungswert V₁₀ ist, fährt die Steuerung mit Schritt 312 fort, bei dem die Brennstoffzelle betrieben wird. Bei Schritt 314 vergleicht der Controller 51 den Laststrom mit Null. Wenn der Laststrom größer als Null ist, fährt die Steue rung mit Schritt 316 fort, bei dem das Steuersystem 50 einen zehnten Lastwert I₁₀ subtrahiert. Beispielsweise kann der zehnte Lastwert I₁₀ 12 Ampere betragen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform subtrahiert Schritt 296 gegebenenfalls nur einen Teil des zehnten Lastwerts I₁₀, um Null zu erreichen. Wenn der Laststrom gleich Null ist, fährt die Steuerung von Schritt 314 zu Schritt 216 fort.
Es sei angemerkt, dass die spezifischen Laststromzunahmen und -abnahmen von den oben beschriebenen abweichen können. Faktoren, die die Auswahl dieser Werte beeinflussen, umfassen den Typ von Brennstoffzelle, die Abmessungen der Brennstoffzellenplatten, die erhoffte Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Brennstoffzelle und andere Faktoren.
Für Fachleute wird es aus der vorhergehenden Beschreibung offensichtlich, dass die breiten Lehren der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Formen ausgeführt werden können. Daher ist, während diese Erfindung in Verbindung mit bestimmten Beispielen beschrieben worden ist, der wahre Schutzumfang der Erfindung nicht darauf beschränkt, da andere Abwandlungen für Fachleute aus einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche offensichtlich sind.
Zusammenfassung
Ein Verfahren zum Starten eines gefrorenen Brennstoffzellenstapels umfasst, dass eine Reaktandenbefeuchtung unterbrochen wird, bevor der Brennstoffzellenstapel abgeschaltet wird. Die Anode und Kathode werden mit den trockenen Reaktanden gespült. Der Brennstoffzellenstapel wird länger bei Gefriertemperaturen gehalten. Während des nachfolgenden Starts werden anfänglich trockene Reaktanden geliefert. Eine Auslasstemperatur der Anode und ein Laststrom des Brennstoffzellenstapels werden gemessen. Die trockenen Reaktanden werden abgeschaltet, wenn die Temperatur des Anodenauslasses oder der Laststrom vorbestimmte Werte erreicht. Das Leerlaufspannungspotential der Brennstoffzellen wird überwacht und mit einem ersten Spannungswert verglichen. Wenn die Leerlaufspannung den ersten Wert überschreitet, beginnt der Brennstoffzellenstapel Laststrom zu liefern. Der Laststrom des Brennstoffzellenstapels wird auf Grundlage einer Differenz zwischen der minimalen Spannung und einem zweiten Spannungswert erhöht oder verringert.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenstapels, der Gefriertemperaturen ausgesetzt ist, umfassend, dass: vor einem längeren Halten bei Gefriertemperaturen der Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels beendet wird; und eine Befeuchtung von Reaktanden, die an eine Anode und/oder eine Kathode des Brennstoffzellenstapels geliefert werden, unterbrochen wird, um nicht befeuchtete Reaktanden vorzusehen; und die Anode und/oder Kathode mit den nicht befeuchteten Reaktanden gespült wird, um Einlassbereiche des Brennstoffzellenstapels freizumachen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass Kühlmittelfluid von dem Brennstoffzellenstapel abgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die nicht befeuchteten Reaktanden für eine erste Zeitdauer mit einer ersten Strömungsrate geliefert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die erste Strömungsrate zwischen 0,1 und 25 Standardkubikzentimeter/Zelle/cm² beträgt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die erste Zeitdauer zwischen 1 und 600 Sekunden beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend, dass der Brennstoffzellenstapel für eine erste Zeitdauer auf Gefriertemperaturen gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend, dass nicht befeuchtete Reaktanden mit einer zweiten Strömungsrate an den Brennstoffzellenstapel geliefert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die zweite Strömungsrate zwischen 1 und 100 Standardkubikzentimeter/Zelle/cm² liegt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die zweite Strömungsrate ausreichend ist, um einen ersten Laststrom zu unterstützen, der einen typischen Laststrom überschreitet, der während des Betriebs auftritt.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend, dass: 25% Luftablass an die Anode geliefert werden; und Wasserstoffniveaus hinsichtlich des Verbrauchs korrigiert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend, dass: eine Auslasstemperatur der Anode gemessen wird; ein Laststrom, der von dem Brennstoffzellenstapel geliefert wird, gemessen wird; die Reaktanden befeuchtet werden, wenn die Temperatur des Anodenauslasses einen ersten vorbestimmten Temperaturwert er reicht und/oder der Laststrom einen ersten vorbestimmten Laststromwert erreicht.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend, dass verifiziert wird, dass Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel ein Leerlaufspannungspotential besitzen, das größer als ein erster vorbestimmter Spannungswert ist.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend, dass: eine Last an den Brennstoffzellenstapel angelegt wird; eine minimale Spannung der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel gemessen wird; und der Laststrom erhöht wird, wenn der minimale Spannungswert einen ersten Kalibrierungsspannungswert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei eine Größe, um die der Laststrom erhöht wird, auf einer Differenz zwischen dem minimalen Spannungswert und dem ersten Kalibrierungsspannungswert basiert.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Laststrom in separaten Schritten erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend, dass der Laststrom verringert wird, wenn der minimale Spannungswert kleiner als ein zweiter Kalibrierungsspannungswert ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei eine Größe, um die der Laststrom verringert wird, einer Differenz zwischen dem minimalen Spannungswert und dem zweiten Kalibrierungsspannungswert zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Laststrom in separaten Schritten verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend, dass der Laststrom auf einen stationären Laststrom verringert wird, der bei normalen Fahrtbedingungen auftritt, wenn der Laststrom einen zweiten vorbestimmten Stromwert erreicht.
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenstapels, der Gefriertemperaturen ausgesetzt ist, umfassend, dass: vor einem längeren Halten bei Gefriertemperaturen ein Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels beendet wird; eine Befeuchtung von Reaktanden, die an eine Anode und/oder eine Kathode des Brennstoffzellenstapels geliefert werden, unterbrochen wird, um nicht befeuchtete Reaktanden zu liefern; und die Anode und/oder die Kathode mit den nicht befeuchteten Reaktanden gespült wird, um Einlassbereiche des Brennstoffzellenstapels freizumachen; Kühlmittelfluid von dem Brennstoffzellenstapel abgezogen wird; der Brennstoffzellenstapel bei Gefriertemperaturen gehalten wird; nach dem längeren Halten nicht befeuchtete Reaktanden mit einer zweiten Strömungsrate an den Brennstoffzellenstapel geliefert werden; eine Auslasstemperatur der Anode und/oder ein Laststrom, der von dem Brennstoffzellenstapel geliefert wird, gemessen wird; die Reaktanden befeuchtet werden, wenn die Temperatur des Anodenauslasses einen ersten vorbestimmten Temperaturwert erreicht und/oder der Laststrom einen ersten vorbestimmten Laststromwert erreicht; verifiziert wird, dass Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel ein Leerlaufspannungspotential besitzen, das größer als ein erster vorbestimmter Spannungswert ist; eine Last an den Brennstoffzellenstapel angelegt wird; eine minimale Spannung der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel gemessen wird; der Laststrom erhöht wird, wenn der minimale Spannungswert einen ersten Kalibrierungsspannungswert überschreitet; und der Laststrom verringert wird, wenn der minimale Spannungswert kleiner als ein zweiter Kalibrierungsspannungswert ist.