DE102004006025A1

DE102004006025A1 - Integrierte Einheit aus Luftkühler, Filter und Befeuchtungseinrichtung für einen Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102004006025A1
Application number: DE102004006025A
Authority: DE
Inventors: Dirk Wexel; Bernhardt Wnendt
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: General Motors LLC
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2004-02-06
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2024-02-07
Also published as: DE102004006025B4; US20040157098A1; US7226680B2

Abstract

Es ist ein System zur thermischen Konditionierung, Befeuchtung und Filterung von an einen Stapel von Brennstoffzellen zu liefernden Reaktandenzufuhrgasen beschrieben, das ein Verdampfungselement, einen Wassersprühmechanismus und einen Wärmetauscher verwendet. Das Verdampfungselement funktioniert auch als ein Filter. Das Verdampfungselement kann die Form einer auswechselbaren Packung (Filtermedium) annehmen. Die Verwendung einer Steuerung, um die Rate von zerstäubtem Wasser zusätzlich zu dem Zufuhrgasstrom zu verwalten, ist ebenfalls beschrieben. Es werden Vorteile hinsichtlich des Filterwirkungsgrads wie auch einer erweiterten Filternutzungsdauer zusammen mit einer Volumen-, Gewichts- und Kostenverringerung in einem Brennstoffzellensystem erzielt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gaskonditionierung eines Brennstoffzellenenergiessytems und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Konditionierung der Temperatur, der Feuchte und /oder Reinheit von an einen Brennstoffzellenstapel gelieferten Reaktandengasen.

Brennstoffzellenenergiesysteme wandeln einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel in Elektrizität um. Ein Typ von Brennstoffzellenenergiesystem, an dem lebhaftes Interesse besteht, macht Gebrauch von einer Protonenaustauschmembran (nachfolgend "PEM"), um eine Reaktion von Brennstoffen (wie beispielsweise Wasserstoff) und Oxidationsmitteln (wie beispielsweise Luft/Sauerstoff) in Elektrizität katalytisch zu erleichtern. Die PEM ist ein Festpolymerelektrolyt, der einen Übergang von Protonen von der Anode auf die Kathode in jeder einzelnen Brennstoffzelle des aus Brennstoffzellen bestehenden Stapels erleichtert, der normalerweise in einem Brennstoffzellenenergiesystem verwendet wird.

Bei einer typischen Brennstoffzellenanordnung (Stapel bzw. "Stack") in einem Brennstoffzellenenergiesystem besitzen einzelne Brennstoffzellen Gasverteilerfelder bzw. Flow-Fields mit Einlässen zu Fluidsammelleitungen. Diese stellen gemeinsam Kanäle für die verschiedenen Reaktanden- und Kühlfluide, die in dem Stapel reagieren sollen, zur Ver sorgung jeder einzelnen Zelle zur Verfügung. Gasdiffusionsanordnungen sehen dann eine abschließende Fluidverteilung vor, um Reaktandenfluide von dem Gasverteilerfeldraum weiter an die reaktive Anode und Kathode zu verteilen. Diese Diffusionsabschnitte sind vorteilhafterweise häufig als Teil der Konstruktion von Kollektorelektroden eingebettet, die an die reaktive Anode und Kathode gepresst werden.

Ein effektiver Betrieb einer PEM erfordert eine ausgeglichene Versorgung von Wasser in dem Polymer einer PEM, um deren Protonenleitfähigkeit aufrechtzuerhalten, während die Gasverteilerfeldkanäle und Gasdiffusionsanordnungen in nicht gefluteten Betriebszuständen beibehalten werden müssen. Diesbezüglich wird der Wasserstoff an die Anodenseite der MEA geliefert und reagiert mit dem Katalysator daran, um Wasserstoffkationen und freie Elektronen zu bilden. Das Oxidationsmittel, typischerweise Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Luft, wird an die Kathodenseite der MEA geliefert und reagiert mit Wasserstoffkationen, die die Protonenaustauschmembran durchquert haben, um Wasser zu bilden. Somit erzeugt die Brennstoffzelle durch die elektrochemische Reaktion sowohl Elektrizität als auch Wasser, wobei das Wasser mit dem Kathodenabfluss entfernt wird und damit die PEM der Brennstoffzelle entwässert wird, sofern das Wasser nicht anderweitig ersetzt wird. Es sei auch angemerkt, dass die Einlassluftdurchflussrate zu der Kathode Wasser von der Protonenaustauschmembran allgemein mit einer noch höheren Rate als der Rate der Wassererzeugung (und begleitenden Entwässerung der PEM) über die Reaktion an der Kathode verdampft.

Die polymere PEM besitzt, wenn Wasser an sie angelagert ist, "saure" Eigenschaften, die ein Medium vorsehen, um Protonen von der Anode an die Kathode der Brennstoffzelle zu leiten. Wird an die PEM jedoch nicht ausreichend Wasser angelagert, verringert sich der "saure" Charakter mit einer entsprechenden Verringerung der gewünschten elektrochemischen Reaktion der Zelle. Eine Wasseranlagerung an eine Brennstoffzellen-PEM unterstützt auch eine Temperatursteuerung in der Brennstoffzelle in der Form, dass die Wärmekapazität von Wasser eine Wärmesenke vorsieht.

Es ist auch erforderlich, die Gasverteilerfeldkanäle und Gasdiffusionsanordnungen in Bezug auf Partikel in einem Zustand ohne Ablagerung bzw. Verstopfung beizubehalten, die in den die Zelle speisenden gasförmigen Oxidationsmittel- und Brennstofffluiden vorhanden sein können. Dies ist für das Oxidationsmittel in Brennstoffzellenenergiesystemen, die in Fahrzeugen verwendet werden, besonders relevant, wenn das Oxidationsmittel Luft ist, da der Zustand von Luft von Ort zu Ort schwankt und das Fahrzeug klar die Aufgabe hat, einen Transport von Ort zu Ort vorzusehen. Zu diesem Zweck werden herkömmlich allgemein Filter in Fahrzeugen verwendet, um saubere Luft sowohl an Brennstoffzellen als auch schließlich an die meisten Verbrennungsmotoren, die herkömmlich in Fahrzeugen verwendet werden, zu liefern.

Es ist auch notwendig, eine thermische Konditionierung von Zufuhrgasen zu dem Brennstoffzellenstapel vorzusehen. Diesbezüglich soll die Temperatur der Zufuhrgase in einem Betriebsbereich beibehalten werden. Jedoch können die Umgebungsbedingungen der Umwelt wie auch die Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems eine Abweichung der Temperatur der Zufuhrgase von dem gewünschten Temperaturbereich zur Folge haben.

Zusätzlich zur Wassergleichgewichts-, Filtrierungs- wie auch Temperaturkonditionierung von Zufuhrgasen zielt ein anderer Punkt bei der Planung und Auslegung von Brennstoffzellen zur Verwendung in Fahrzeugen auf die effiziente Verwendung von Raum ab. Diesbezüglich ist Raum in einem Fahrzeug wertvoll, und Entwicklungsversuche, die eine effiziente Verwendung von Raum in dem Fahrzeug darstellen, begünstigen die Verwendbarkeit des Fahrzeugs deutlich. Dies führt zu einer Integrierung des Befeuchtungssystems oder Gaskonditionierungssystems in jeder der vorgesehenen Brennstoffzellen.

Demgemäß besteht Bedarf nach einem Brennstoffzellenenergiesystem, das eine vollständige Befeuchtung der Zufuhrgase (insbesondere des Oxidationsmittels), eine Filtrierung von Partikeln in den Zufuhrgasen mit hoher Abfangrate wie auch eine thermische Konditionierung von Zufuhrgasen in Einklang mit der vollständigen Befeuchtung derart umfasst, dass für die Befeuchtungs-, Kühl- und Filtrierungsvorgänge ein Minimum an Raum benötigt wird.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht ein Brennstoffzellenenergiesystem mit einer gestapelten Serie von Brennstoffzellen und mit einem einteiligen Verdampfungselement vor, um Wasser aus einem zweiphasigen Zufuhrgasstrom bestehend aus Zufuhrgas und zerstäubtem bzw. vernebeltem Wasser in den Zufuhrgasstrom zu verdampfen. Das Verdampfungselement sieht ein Medium für eine Massenübertragung von zerstäubtem Wasser vor, um den Zufuhrgasstrom vollständig zu befeuchten. Zusätzlich dazu und insbesondere bei Befeuchtung mit Wasser sieht das Verdampfungselement eine Filtrierung fester Partikel aus dem Zu fuhrgasstrom vor. Ferner sieht das Verdampfungselement eine Temperaturkonditionierungsfunktion zur Steuerung der Einlasstemperatur des Zufuhrgasstromes vor. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sieht die Erfindung auch ein entfernbares Verdampfungselement in der Form einer Packung oder eines Filtermediums und zur Verwendung einer Steuerung vor, um die Rate an zerstäubtem Wasser, die dem Zufuhrgasstrom zugesetzt wird, zu regulieren.

Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht ein Brennstoffzellenenergiesystem mit einer gestapelten Serie von Brennstoffzellen und mit einem einteiligen Wärmetauscherelement vor, um den in die einzelnen Brennstoffzellen eintretenden Zufuhrgasstrom thermisch zu kanditionieren. Das Wärmetauscherelement sieht ein Wärmeübertragungsmittel vor, um Wärme von dem Zufuhrgasstrom zu entziehen oder diesem Wärme zuzusetzen. Derartige thermische Zustände können auf dem vorliegenden Betriebszustand wie auch den gewünschten Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenenergiesystems basieren.

Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht ein Brennstoffzellenenergiesystem mit einer gestapelten Serie von Brennstoffzellen und mit einem einteiligen Wasserinjektionsmechanismus vor, um in den Zufuhrgasstrom vor dem Eintritt in die einzelnen Brennstoffzellen Wasser einzuführen. Der Wasserinjektionsmechanismus kann dazu verwendet werden, die relative Feuchte des Zufuhrgasstroms zu erhöhen und wird bevorzugt in Verbindung mit einem Verdampfungselement verwendet. Der Wasserinjektionsmechanismus kann auch dazu verwendet werden, abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen dem Wasser und dem Zufuhrgasstrom eine thermische Konditionierung des Zufuhrgasstromes vorzusehen.

Die Erfindung umfasst, obwohl sie hier in Bezug auf einen Kathodenzufuhrstrom beschrieben worden ist, auch die Verwendung eines Verdampfungselementes, eines Wärmetauscherelementes und/oder eines Wasserinjektionsmechanismus zur thermischen Konditionierung, Befeuchtung und Filterung der Brennstoffgaszufuhr zu der Brennstoffzelle.

Es existieren verschiedene, aus der vorliegenden Erfindung ableitbare Vorteile. Aufgrund der relativ ausgedehnten Oberfläche des Verdampfungselementes sorgt die Erfindung für einen hohen Filterwirkungsgrad wie auch eine erweiterte Filternutzungsdauer. Zudem sieht die vorliegende Erfindung aufgrund der Integrierung eines Wärmetauschers, Filters und eines Wasserinjektors in eine einzelne Einheit, die von den Brennstoffzellenstapelplatten getragen wird, eine Basis für eine Volumen-, Gewichts- und Kostenverringerung in einem Brennstoffzellensystem vor.

Die Erfindung ist im Folgenden nur beispielhaft anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben.
1 zeigt eine Übersicht über ein Brennstoffzellenenergiesystem;
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Anteils eines PEM-Brennstoffzellenstapels in der Brennstoffzellenstapelanordnung des Brennstoffzellenenergiesystems von 1;
3 ist eine Seitenschnittansicht, die Einzelheiten in einer integrierten Anordnung aus Zufuhrluftbefeuchter, Filter und Kühler für einen PEM-Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ist eine Schnittansicht von oben des Brennstoffzellenstapels entlang Linie A-A in 3; und
5 ist eine Stirnschnittansicht des Brennstoffzellenstapels entlang Linie B-B in 3.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf ein allgemeines Brennstoffzellenenergiesystem besser verständlich. Daher wird vor einer weiteren Beschreibung der Erfindung ein allgemeiner Überblick über das Brennstoffzellenenergiesystem gegeben, in dem die verbesserten Brennstoffzellen der Erfindung arbeiten. In dem System wird ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff in einem Brennstoffprozessor beispielsweise durch Reformierungs- und Partialoxidationsprozesse verarbeitet, um ein Reformatgas zu erzeugen, das einen relativ hohen Wasserstoffgehalt auf Volumen- oder Mol-Basis besitzt. Hierbei wird darauf verwiesen, dass der Ausdruck "mit einem relativ hohen Wasserstoffgehalt" hier mit dem Begriff "wasserstoffhaltig" umschrieben wird. Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit einer Brennstoffzelle beschrieben, die durch ein Ha-haltiges Reformat beliefert wird, ungeachtet des Verfahrens, mit dem dieses Reformat hergestellt wird. Es sei zu verstehen, dass die hier ausgeführten Prinzipien auf Brennstoffzellen anwendbar sind, die durch H₂ beliefert werden, das von einer beliebigen geeigneten Quelle erhalten wird, einschließlich reformierbarer kohlenwasserstoff- und wasserstoffhaltiger Brennstoffe, wie zum Beispiel Methanol, Ethanol, Benzin, Alkali (alkaline) oder anderen aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst ein Brennstoffzellenenergiesystem 100 einen Brennstoffprozessor 112, um einen reformierbaren Kohlenwasserstoff-Brennstoffstrom 114 und Wasser in der Form von Wasserdampf von einem Wasserstrom 116 einer katalytischen Reaktion zu unterziehen. Bei einigen Brennstoffprozessoren wird bei einer aus Partialoxidation und Wasserdampfreformierung kombinierten Reaktion auch Luft verwendet. In diesem Fall nimmt der Brennstoffprozessor 112 auch einen Luftstrom 118 auf. Der Brennstoffprozessor 112 kann einen oder mehrere Reaktoren umfassen, in denen der reformierbare Kohlenwasserstoff-Brennstoff in Strom 114 in Anwesenheit von Wasserdampf in Strom 116 und Luft in Strom 118 (optional Sauerstoffspeichertank 118) einer Aufspaltung unterzogen wird, um das wasserstoffhaltige Reformat zu erzeugen, das von dem Brennstoffprozessor 112 in dem Reformatstrom 120 ausgetragen wird. Der Brennstoffprozessor 112 umfasst typischerweise auch einen oder mehrere Sekundärreaktoren, wie beispielsweise Wasser-Gas-Shift-Reaktoren (WGS-Reaktoren) und/oder Reaktoren für selektive bzw. bevorzugte Oxidation (PROX-Reaktoren), die dazu verwendet werden, die Kohlenmonoxidmenge in dem Reformatzufuhrgasstrom 120 auf akzeptable Größen, beispielsweise unter 20 ppm zu verringern. Das H₂-haltige Reformat 120 wird durch die Anodenkammer des Brennstoffzellenstapelsystems 122 zugeführt. Gleichzeitig wird Sauerstoff in der Form von Luft in einem Gasstrom 124 für Oxidationsmittelzufuhr in die Kathodenkammer des Brennstoffzellenstapelsystems 122 zugeführt. Der Wasserstoff von dem Reformatstrom 120 und der Sauerstoff von dem Oxidati onsmittelstrom 124 reagieren in dem Brennstoffzellenstapelsystem 122, um Elektrizität zu erzeugen.
Ein Anodenaustrag (oder -abfluss) 126 von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapelsystems 122 umfasst einen gewissen Teil nicht reagierten Wasserstoff. Ein Kathodenaustrag (oder -abfluss) 128 von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapelsystems 122 kann einen gewissen Teil nicht reagierten Sauerstoff umfassen. Diese nicht reagierten Gase stellen zusätzliche Energie dar, die in dem Brenner 130 in der Form von Wärmeenergie für verschiedene Wärmeanforderungen innerhalb des Energiesystems 100 rückgewonnen wird.
Genauer werden ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff 132 und/ oder Anodenabfluss 126 katalytisch oder thermisch in dem Brenner 130 mit Sauerstoff verbrannt, der an den Brenner 130 entweder aus Luft in Strom 134 oder aus Kathodenabflussstrom 128 abhängig von den Betriebsbedingungen des Energiesystems 100 geliefert werden. Der Brenner 130 stößt einen Austragsstrom 154 an die Umgebung aus, und die hierdurch erzeugte Wärme wird nach Bedarf an den Brennstoffprozessor 112 geführt.
In 2 ist schematisch ein PEM-Brennstoffzellenstapel 200 mit zwei Zellen eines Brennstoffzellenstapelsystems 122 mit einem Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 208 und 210 gezeigt, die voneinander durch eine nicht poröse, elektrisch leitfähige bipolare Platte 212 getrennt sind. Jede der MEAs 208, 210 besitzt eine Kathodenseite 208c, 210c und eine Anodenseite 208a, 210a. Die MEAs 208, 210 und die bipolare Platte 212 sind zwischen nicht porösen, elektrisch leitenden wie auch über Flüssigkeit gekühlten Endplatten 214 und 216 aneinander gestapelt. Die Platten 212, 214, 216 umfassen jeweils Gasverteilerfelder oder Flow-Fields 218, 220, 222, die aus einer Vielzahl von Durchflusskanälen gebildet werden, die in den Flächen der Platten zur Verteilung von Brennstoff- und 0xidationsmittelgasen (d.h. H₂ & O₂) an die reaktiven Flächen der MEAs 208, 210 ausgebildet sind. Nicht leitende Dichtungen oder Versiegelungen 226, 228, 230, 232 sehen sowohl eine Abdichtung als auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Platten des Brennstoffzellenstapels 200 vor.
Poröse, gasdurchlässige wie auch elektrisch leitende Tafeln 234, 236, 238, 240 werden an die Elektrodenflächen der MEAs 208, 210 gepresst und dienen als Primärstromkollektoren für die jeweiligen Elektroden. Die Primärstromkollektoren 234, 236, 238, 240 sehen auch eine mechanische Abstützung für die MEAs 208, 210 insbesondere an Stellen vor, an denen die MEAs in dem Gasverteilerfeld ansonsten ungestützt sind. Die bipolare Platte 214 wird an den Primärstromkollektor 234 auf der Kathodenseite 208c der MEA 208 gepresst, die bipolare Platte 216 wird an den Primärstromkollektor 240 auf der Anodenseite 210a der MEA 210 gepresst und die bipolare Platte 212 wird an den Primärstromkollektor 236 auf der Anodenseite 208a der MEA 208 und an den Primärstromkollektor 238 auf der Kathodenseite 210c der MEA 210 gepresst.
Ein Oxidationsmittelgas, wie beispielsweise Luft/Sauerstoff wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 200 von einer Luftquelle bzw. einem Luftspeichertank 118 und Leitungen 124 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 242 geliefert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sauerstofftank 118 weg gelassen worden, und die Luft wird von der Umgebung an die Kathodenseite über eine Pumpe oder einen Kompressor geliefert. Ein Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, wird an die Anodenseite der Brennstoffzelle 200 von dem Speichertank 420 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 244 geliefert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wasserstofftank 420 weg gelassen worden, und der Anodenzufuhrstrom wird von einem Reformer (wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben ist) über Leitung 120 nach einer katalytischen Aufspaltung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoff-Brennstoff 114 geliefert.
Eine Austragsverrohrung (nicht gezeigt) für sowohl die H₂ als auch O₂/Luft-Seiten der MEAs 208, 210 sind ebenfalls zur Entfernung von Anodenabfluss von dem Anodengasverteilerfeld und dem Kathodenabfluss von dem Kathodengasverteilerfeld vorgesehen. Es ist auch eine Kühlmittelverrohrung 250, 252 zur Lieferung und zum Austrag flüssigen Kühlmittels an bzw. von den bipolaren Platten 214, 216 nach Bedarf vorgesehen.
Es sei angemerkt, dass der Brennstoffzellenstapel 200 zwei Brennstoffzellen zeigt, wobei sich diese die Platte 212 teilen. In der Praxis ist die Anzahl einzelner Zellen in einem Brennstoffzellenstapel durch die jeweilige Anwendung bestimmt und kann viele einzelne Brennstoffzellen umfassen.
Wie in den 3 bis 5 gezeigt ist, definiert eine Vielzahl von Platten 302, die den Platten 212 ähnlich sind, allgemein die Ränder der Gasverteilerkanäle, um einen Zufuhrgasstrom an Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 300 zuzuführen. Gemeinsam zeigen die 3 – 5 Einzelheiten einer aus Zufuhrgasbefeuchter, Filter und Kühler integrierten Anordnung für eine Ausführungsform eines PEM-Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt auch einen Wärmetauscher 361 in der Form eines Röhren- und Rippen- Kühlerelementes, das einen Eingangskühlmitteldurchfluss 366 in Rohr 363 aufnimmt und daran befestigt einzelne Wärmetauscherrippen 371 umfasst, die einen Fluidkreis definieren, der für eine Kühlung des von dem Verteiler 362 in den Brennstoffzellenstapel eintretenden Oxidationsmittelzufuhrgases sorgt. 4 zeigt auch, dass der Eingangskühlmitteldurchfluss 366 als Paralleldurchfluss auftritt, wobei ein Serpentinenbein einen Kühlmittelaustragsdurchfluss 367 austrägt. Die Kühlmittelsammelleitung 380 ist in 5 als eine Quelle für Kühlmittel gezeigt, um einzelne Durchflussanteile 366 von Kühlmittelleitungen 250, 252, die in Platten 214, 216 von 2 dargestellt sind, als Kühlmitteldurchfluss zwischen den Zellen zu liefern. Der Kühlmitteldurchfluss 366 kann anstelle oder zusätzlich zu dem Zwischenzellenkühlmitteldurchfluss erfolgen. Während die Begriffe "Kühlung" und "Kühlmittel" hier verwendet werden, ist es für Fachleute offensichtlich, dass der Wärmetauscher auch eine Temperaturerhöhung in dem Zufuhrgasstrom abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmitteldurchfluss und dem Zufuhrgasstrom bewirken kann.
Das Verdampfungselement 364 ist in den 3 – 5 gezeigt. Sprühdüsen 374a, 374b, 374c, 374d sehen eine Strömung von Wassertröpfchen (kollektiv als zerstäubtes Wasser) in dem Oxidationsmittelgasdurchfluss vor, um einen zweiphasigen Durchfluss aus zerstäubtem Wasser und Luft (Sauerstoff) in dem Verteiler 362 zu dem Verdampfungsele ment 364 herzustellen. In seiner derzeit bevorzugten Form nimmt das Verdampfungselement die Form einer Entnebelungs- bzw. Abscheidungspackung an, die so bemessen und ausgebildet ist, um ein Medium zur Verdampfung des Wassers in zerstäubter Form in Feuchtigkeit für den Oxidationsmittelgasstrom vorzusehen.
Ein Differenzdruckwandler 381, der schematisch gezeigt ist, überwacht den Druckabfall über das Verdampfungselement für einen Einlass für Brennstoffzellenoxidationsmittel. In der Praxis kann eine Mehrzahl derartiger Wandler 381 verwendet werden, um ein repräsentati ves Profil des Druckabfalls über den vollständigen Betriebsbereich des Verdampfungselementes 364 festzulegen. Ein Messsignal von dem Differenzdruckwandler 381 wird an die Steuerschaltung 384 geliefert. Der Durchflusswandler 382 ist optional auch mit einer Steuerschaltung 384 versehen, um das in den Brennstoffzellenstapel 300 einzuspritzende Wasser anzugeben. Die Steuerschaltung 384 stellt den Durchfluss des Wasserstroms 372 über eine Einstellung des Steuerventils 383 in Reaktion auf Messungen von dem Wandler 381 und 382 ein. Bei einer Ausführungsform arbeitet das Ventil 383 auf eine ähnliche Art und Weise wie ein Kraftstoffeinspritzventil (das normalerweise in einem Verbrennungsmotor verwendet wird) mit einer Betriebsfrequenz und resultierenden diskontinuierlichen Spülvorgängen von Sprühdüsen 374a, 374b, 374c, 374d, die durch Bedingungen, die durch Wandler 381, 382 gemessen werden, in Echtzeit oder nahezu Echtzeit festgelegt sind. Bei einer anderen Ausführungsform besitzt die Steuerschaltung 384 Eingangsmessungen von der Temperatur (nicht gezeigt) des Oxidationsmittelgases als einen Eingang in die Steuerentscheidungslogik, die durch den Computer 384 ausgeführt wird. An den Rändern des Filters 364 können Drainageleitungen (nicht gezeigt) verwendet werden, um eine Überflutungssteuerung zu unterstützen.
Das gegenwärtig bevorzugte Verdampfungselement 364 ist ein Filter, der in der Lage ist, Partikel mit einem Durchmesser von etwa 10 μm und bevorzugt weniger als etwa 2 μm herauszufiltern, wobei die Wassertröpfchen des zerstäubten Wassers einen Durchmesser zwischen etwa 30 bis 50 μm besitzen. Mögliche Filtermaterialien umfassen herkömmliche zur Luftfiltrierung verwendete Polyesterfasern/-gewebe oder andere geeignete feuchtigkeitsbeständige Filterpapiere. Das Verdampfungselement 364 ist ein entfernbarer Filter, der durch einen Rahmen mit einem Trägergestell 369 an der Stelle gehalten wird, wie am besten in 5 zu sehen ist, um den mit Rahmen versehenen Filter aufnehmen, halten und (bei Entfernung) freigeben zu können. Diese Ausführungsform sieht einen Filter und ein Verdampfungselement vor, die in dem Brennstoffzellenenergiesystem periodisch auswechselbar sind. Eine derartige Auswechslung kann eine periodisch geplante Wartung zur Grundlage haben oder abwechselnd erfolgen, wenn der Druckverlust über das Filter unakzeptabel hoch wird.
Durch Zerstäuben des Wassers, das in der Luft zu der Brennstoffzelle mitgeführt wird, wird Wasser dem Oxidationsmittelstrom bevorzugt zugesetzt. Zu diesem Zweck sind Düsen 374a, 374b, 374c, 374d in der Wasserversorgungsleitung 372 angeordnet, um das Wasser zu zerstäuben, sind jedoch um einen ausreichenden Abstand von dem Verdampfungselement 364 an den Oxidationsmitteleinlassenden der Brennstoffzellen beabstandet angeordnet, um den Bereich benachbart aller Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel mit Wasser zu versorgen.
Bei einem anderen Aspekt wird Wasser in dem Verteiler 362 bezüglich entweder Position und/oder Zeit in einer Vielzahl von Durchflussmengenzuwächsen von Wasser zerstäubt, so dass der Druckabfall von dem zerstäubten Wasser über das Verdampfungselement 364 ausreichend gesteuert wird, um den Betrieb des Brennstoffzellenenergiesystems zu sichern. Diesbezüglich besitzen die Sprühdüsen 374 einen Basisdurchsatz zur Zerstäubung eines Wasserdurchflusses in einen Nebel. Dieser Basisdurchsatz entspricht einem der Durchflussmengenzuwächse von zerstäubtem Wasser in der Vielzahl von Durchflussmengenzuwächsen von zerstäubtem Wasser. Die Steuerschaltung 384 stellt die Durchflussmengenzuwächsen von zerstäubtem Wasser ein, um eine Druckabfallsteuerung über das Verdampfungselement 364 aufrecht zu erhalten, entweder durch eine analoge Steuerung des Durchflusses zu der Düse 374. oder durch eine Pulsbreitenmodulationssteuerung (auf eine Art und Weise ähnlich der Kraftstoffeinspritzströmung in einem Verbrennungsmotor und insbesondere, wenn der Durchfluss unter denjenigen verringert werden muss, der erforderlich ist, um von einer Sprühdüse zerstäubt werden zu können). Bei einer alternativen Ausführungsform wird das zerstäubte Wasser durch ein System geliefert, das nicht von dem Durchsatz oder der Durchflussrate abhängt (wie beispielsweise einem Ultraschallvernebler oder einem thermischen Verdampfer) oder das durch den Wasserpumpenkopfdruck gesteuert wird.
Der hier verwendete Begriff "Wasser" bezeichnet Wasser, das in natürlicher Beschaffenheit zum Betrieb eines Brennstoffzellenenergiesystems verwendbar ist. Während bestimmte Partikel in dem Wasser akzeptabel sind, beschleunigen diese zusätzlich zu einer durch Partikel in dem Oxidationsmittelgas bewirkten Verstopfung eine Verstopfung des Verdampfungselementes 364. Bei einer Brennstoffzelle könnte eine derartige Verstopfung durch Spurenmengen mineralischer Niederschläge von dem im Wesentlichen mitführten zerstäubten oder partikulären Wasser bewirkt werden. Bevorzugt wird zur Verlängerung der Nutzungsdauer des Verdampfungselementes 364 zwischen Wechseln eine ausreichende Vorfilterung der Luft und des Wassers vorgeschlagen.
Um einen feinen Wassernebel herzustellen, kann eine Anzahl von Düsenkonstruktionen verwendet werden, wobei eine Zerstäuberdüse bei dem Brennstoffzellenenergiesystem bevorzugt ist, um einen Nebel zur Verfügung zu stellen, der durch einen mittleren Volumendurchmesser zwischen etwa 30 μm und etwa 50 μm und eine Durchflussrate von etwa 1,9 Liter pro Sekunde (0,5 Gallonen pro Sekunde) bei einem Druckabfall von etwa 10 bar und eine Temperatur in dem Bereich von 5 bis 60°C gekennzeichnet ist. Jedoch ist es für Fachleute offensichtlich, dass die Konstruktion wie auch die Betriebsparameter der Düse von den Systembedingungen abhängig sind, wie beispielsweise Leistung, Temperatur und Druck, und somit für eine gegebene Anwendung variieren können.
Sei einer alternativen Ausführungsform ist jede einzelne Sprühdüse 374 separat mit einem Ventil versehen und entsprechend gesteuert, um eine maximale Anzahl von steuerbaren Durchflussmengenzuwächsen von Wasser vorzusehen, wobei jeder Zuwachs der im Wesentlichen voraussagbare und konstante Durchfluss ist, bei dem jede Sprühdüse ihr funktionell passendes Sprühmuster bei dem verfügbaren Druckabfall liefert. Bei einer anderen Ausführungsform wird eine Gruppe von Sprühdüsen 374 an der Wasserversorgungsleitung 372 gesteuert. Bei einer noch weiteren Ausführungsform kann eine Gruppe von Sprühdüsen mit anderen Sprühdüsen vermischt sein, die einzeln gesteuert sind. Zu dem Obigen sei angemerkt, dass eine Anzahl verschiedener Anordnungen von Düsen, Lieferleitungen wie auch Ventilausstattungen die Bereitstellung einer Durchflussmenge von zerstäubtem Wasser in einer Vielzahl von Durchflusszuwächsen von zerstäubter Wassermenge erzielen kann.
In einigen Fällen können die Sprühdüsen 374 auch unterschiedliche Größen besitzen, um entweder vordefinierte Sprühkonzentrationsprofile zu ermöglichen oder einen Durchgang wie auch ein Spülen von Partikeln aus einem Wasserrohr 372 zu erleichtern und damit ein Verstopfen einer Wasserdüse 374 des Sprühgestells zu vermeiden. Diesbezüglich passen die inneren Zwischenräume an Düsen mit größerem Durchsatz den Durchgang von Partikeln leichter an, als die inneren Zwischenräume von Düsen mit kleinerem Durchsatz.
Die vorliegende Erfindung ist oben in Verbindung mit einer Konditionierung eines Kathodenzufuhrgasstromes beschrieben worden. Bei einer anderen Ausführungsform kann die vorliegende Erfindung dazu verwendet werden, den Anodenzufuhrgasstrom zu konditionieren. Im Zusammenhang mit der Konstruktion hinsichtlich des Durchflusses und des Charakters des Brennstoffgases ist die Konstruktion des Brennstoffgaskühlers, -befeuchters und -filters ähnlich dem, der in den 3 – 5 gezeigt ist.
Aus dem Vorhergehenden wird offensichtlich, dass die Integration von Filtrierungs-, Mengenübertragungs- und Wärmeübertragungsvorgängen bei den bevorzugten Ausführungsformen sowohl aus einer Verwendung von Filtrierungs-, Mengenübertragungs- und Wärmeübertragungskomponenten, um einen Vorteil der durch die Stapelkomponenten angebotenen Stützstruktur zu nutzen, als auch von einer Vereinheitlichung dieser Elemente und der dadurch bevorzugten Funktionen in einen gemeinsamen Raum in dem Brennstoffzellenstapel erreicht wird. Diese Integration von Verdampfungskühler, Filter, Befeuchter, Wärmetauscher wie auch einer existierenden Stapelstruktur sieht eine Basis für eine Volumen-, Gewichts- und Kostenverringerung in einem Brennstoffzellenenergiesystem vor.
Die Erfindung ist hier anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden, und für Fachleute ist es offensichtlich, dass verschiedene Aspekte der bevorzugten Ausführungsform weggelassen oder mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen ausgetauscht werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Demgemäß ist die Erfindung nur durch die nachfolgend angegebenen Ansprüche begrenzt.
Zusammengefasst ist ein System zur thermischen Konditionierung, Befeuchtung und Filterung von an einen Stapel von Brennstoffzellen zu liefernden Reaktandenzufuhrgasen beschrieben, das ein Verdampfungselement, einen Wassersprühmechanismus und einen Wärmetauscher verwendet. Das Verdampfungselement funktioniert auch als ein Filter. Das Verdampfungselement kann die Form einer auswechselbaren Packung (Filtermedium) annehmen. Die Verwendung einer Steuerung, um die Rate von zerstäubtem Wasser zusätzlich zu dem Zufuhrgasstrom zu verwalten, ist ebenfalls beschrieben. Es werden Vorteile hinsichtlich des Filterwirkungsgrads wie auch einer erweiterten Filternutzungsdauer zu sammen mit einer Volumen-, Gewichts- und Kostenverringerung in einem Brennstoffzellensystem erzielt.

Claims

Brennstoffzellenstapel mit: einem Gehäuse; einer gestapelten Serie von Brennstoffzellen, die in dem Gehäuse angeordnet sind, wobei jede Zelle ein Einlassende zur Aufnahme eines Reaktandengases umfasst; einem Verteiler, der in dem Gehäuse angeordnet ist und einen Zufuhrstrom von einer Quelle an jedes der Einlassenden der Brennstoffzelle zuführt; einem Wassersprühmechanismus, der in dem Verteiler angeordnet ist und zerstäubtes Wasser in dem Zufuhrstrom erzeugt, und einem Verdampfungselement, das zwischen dem Verteiler und den Einlassenden der Brennstoffzelle angeordnet ist, um das zerstäubte Wasser in den Zufuhrstrom zu verdampfen.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei das Verdampfungselement ferner ein Filtermedium umfasst.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 2, wobei das Filtermedium ein auswechselbares Filtermedium ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 2, wobei das Filtermedium Partikel ausfiltert, deren Größe größer als etwa 2 μm ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei das zerstäubte Wasser Wassertröpfchen mit einem Durchmesser zwischen etwa 30 μm und etwa 50 μm umfasst.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, ferner mit einem Druckwandler, der zur Messung eines Druckunterschieds über das Verdampfungselement dient.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 6, ferner mit einer Steuerschaltung zur Steuerung einer Durchflussrate des zerstäubten Wassers in Reaktion auf ein Messsignal von dem Druckwandler.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, ferner mit einem Druckwandler zur Messung eines Druckunterschieds über den Wassersprühmechanismus.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 8, ferner mit einer Steuerschaltung zur Steuerung einer Durchflussrate des zerstäubten Wassers in Reaktion auf ein Messsignal von dem Druckwandler.
Brennstoffzellenstapel mit: einem Gehäuse; einer gestapelten Serie von Brennstoffzellen, die in dem Gehäuse angeordnet sind, wobei jede Zelle ein Einlassende zur Aufnahme eines Reaktandengases besitzt; einem Verteiler, der in dem Gehäuse angeordnet ist und einen Zufuhrgasstrom von einer Quelle an jedes der Einlassenden der Brennstoffzelle zuführt; einem Wärmetauscherelement, das in dem Verteiler angeordnet ist, um den Zufuhrgasstrom thermisch zu konditionieren; und einem Filterelement, das in dem Verteilter und den Einlassenden der Brennstoffzelle angeordnet ist, um den Zufuhrgasstrom zu filtern.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, wobei das Wärmetauscherelement einen Fluidkreis umfasst, bei dem ein Fluid durch diesen hindurch zirkuliert und der Zufuhrgasstrom über einen Anteil des Fluidkreislaufs in Wärmeleitbeziehung damit zirkuliert.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 11, wobei das Wärmetauscherelement ferner einen Röhren- und Rippenkühler mit einem Rohr und einer Vielzahl sich von dem Rohr erstreckender Rippen umfasst.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, wobei das Filterelement einen Partikelfilter umfasst.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, wobei das Filterelement ein auswechselbares Filtermedium ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, wobei das Filterelement Partikel ausfiltert, die größer als etwa 2 μm sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, wobei das Filterelement zwischen dem Wärmetauscherelement und den Einlassenden der Brennstoffzelle angeordnet ist, um den Zufuhrgasstrom zu filtern.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, ferner mit einem Wassersprühmechanismus, der in dem Verteiler angeordnet ist und zerstäubtes Wasser in dem Zufuhrstrom erzeugt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 17, wobei das zerstäubte Wasser Wassertröpfchen mit einem Durchmesser zwischen etwa 30 μm und etwa 50 μm umfasst.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 17, wobei das Filterelement zwischen dem Wassersprühmechanismus und den Einlassenden der Brennstoffzelle angeordnet ist, so dass bei einer Verdampfung das zerstäubte Wasser in den Zufuhrstrom verdampft wird.
Brennstoffzellenstapel mit: einem Gehäuse, das einen Stapel aus Brennstoffzellen umschließt, wobei jede Brennstoffzelle eine Membranelektrodenanordnung umfasst, die eine Kathodenseite in Fluidverbindung mit einem Verteilerfeld für Oxidationsmittelgas und eine Anodenseite in Fluidverbindung mit einem Verteilerfeld für Brennstoffgas umfasst; einem Verdampfungselement, das in dem Gehäuse angeordnet ist und ein Reaktandengas von einer Reaktandengasquelle an eines der Verteilerfelder für Oxidationsmittelgas und Brennstoffgas fördert; und einem Wassersprühmechanismus, der in dem Gehäuse angeordnet ist und einen Durchfluss aus Wasserpartikeln an das Verdampfungselement vorsieht.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 20, wobei das Verdampfungselement eine Filterpackung ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 21, wobei die Filterpackung in einem Rahmen vorgesehen ist und der Brennstoffzellenstapel ferner ein Stützgestell umfasst, das den Rahmen abnehmbar befestigt, so dass die Filterpackung in dem Brennstoffzellenstapel selektiv ausgewechselt werden kann.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 21, wobei die Filterpackung Partikel ausfiltert, deren Größe größer als etwa 2 μm ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 20, wobei der Wassersprühmechanismus zumindest eine Sprühdüse umfasst.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 24, wobei die zumindest eine Sprühdüse einen Fluss von Wasserpartikeln liefert, deren Durchmesser zwischen etwa 30 μm und etwa 50 μm liegt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 20, ferner mit einem Differenzdruckwandler zur Messung eines Druckabfalls über das Verdampfungselement.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 26, ferner mit einem Ventil, um eine Durchflussrate der Wasserpartikel in Reaktion auf ein Messsignal von dem Differenzdruckwandler zu steuern.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 27, ferner mit einer Steuerschaltung, die das Messsignal aufnimmt und das Ventil steuert.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 28, wobei die Brennstoffzellenplatten vertikal vorgesehen sind, wobei ein Einlassende der Verteilerfelder für Oxidationsmittelgas an einem Ende des Stapels endet, und wobei das Verdampfungselement horizontal über den Einlassenden benachbart des Verteilerfeldes für Oxidationsmittelgas positioniert lst.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 29, ferner mit einem Druckwandler zur Messung eines Druckabfalls über den Wassersprühmechanismus.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 30, ferner mit einem Ventil, um eine Durchflussrate der Wasserpartikel in Reaktion auf ein Messsignal von dem Druckwandler zu steuern.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 31, ferner mit einer Steuerschaltung, die das Messsignal aufnimmt und das Ventil steuert.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 32, ferner mit einem Durchflusswandler zur Messung der Durchflussrate der Wasserpartikel und zur Lieferung eines Steuersignals an die Steuerschaltung.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 30, wobei die Brennstoffzellenplatten vertikal vorgesehen sind, wobei ein Einlassende des Verteilerfeldes für Brennstoffgas an einem Ende des Stapels endet und wobei das Verdampfungselement horizontal über den Einlassenden benachbart der Verteilerfelder für Brennstoffgas positioniert ist.