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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-Energiesystem und ein Verfahren zum Betrieb desselben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 9, wie aus der
WO 2003/052850 A2 oder der
DE 100 62 258 A1 bekannt.
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Brennstoffzellen-Energiesysteme wandeln einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel in Elektrizität um. Ein wichtiger Typ eines Brennstoffzellen-Energiesystems macht Gebrauch von einer Protonenaustauschmembran (nachfolgend ”PEM”), um die Reaktion von Brennstoffen (wie beispielsweise Wasserstoff) und Oxidationsmitteln (beispielsweise Luft bzw. Sauerstoff) in Elektrizität katalytisch zu erleichtern. Die PEM ist ein Festpolymerelektrolyt, der eine Übertragung von Protonen von der Anode zu der Kathode in jede einzelne Brennstoffzelle des Stapels aus Brennstoffzellen, die normalerweise in einem Brennstoffzellen-Energiesystem verwendet werden, erleichtert.
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Bei einer typischen Brennstoffzellenanordnung (Stapel bzw. Stack) in einem Brennstoffzellen-Energiesystem besitzen einzelne Brennstoffzellen Strömungsfelder mit Einlässen zu Fluidverteilern. Diese sehen gemeinsam Kanäle für die verschiedenen Reaktanden- und Kühlfluide, die in dem Stapel reagieren, zur Strömung in jede Zelle vor. Die Gasdiffusionsanordnungen sehen dann eine letzte Fluidleitung zur weiteren Verteilung von Reaktandenfluiden von dem Strömungsfeldraum zu der reaktiven Anode und Kathode vor.
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Ein effektiver Betrieb einer PEM erfordert eine ausgeglichene Bereitstellung von ausreichend Wasser in dem Polymer einer PEM, um dessen Protonenleitfähigkeit beizubehalten, während die Strömungsfeldkanäle und Gasdiffusionsanordnungen in nicht gefluteten Betriebszuständen gehalten werden müssen. Diesbezüglich wird das Oxidationsmittel, typischerweise Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Luft, an die Kathode geliefert, an der dieses mit Wasserstoffkationen, die die Protonenaustauschmembran durchquert haben, und Elektronen von einer externen Schaltung reagiert. Somit erzeugt die Brennstoffzelle sowohl Elektrizität als auch Wasser durch die elektrochemische Reaktion, und das Wasser wird mit dem Kathodenabfluss entfernt, wobei die PEM der Brennstoffzelle entwässert bzw. dehydriert wird, sofern das Wasser nicht anderweitig ersetzt wird. Es sei auch angemerkt, dass der Einlassluftdurchfluss zu der Kathode allgemein Wasser von der Protonenaustauschmembran (mit einer begleitenden Entwässerung der PEM) mit einer noch höheren Rate als der Rate der Wassererzeugung über die Reaktion an der Kathode verdunstet.
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Im bewässerten Zustand besitzt die polymere Protonenaustauschmembran ”saure” Eigenschaften, die ein Medium zum Leiten von Protonen von der Anode zu der Kathode der Brennstoffzelle vorsehen. Wenn jedoch die Protonenaustauschmembran nicht ausreichend bewässert ist, vermindert sich der ”saure” Charakter mit einer begleitenden Verminderung der gewünschten elektrochemischen Reaktion der Zelle. Eine Befeuchtung einer Brennstoffzellen-PEM unterstützt auch die Temperatursteuerung in der Brennstoffzelle, insoweit wie die Wärmekapazität von Wasser eine Wärmesenke darstellt. Ein Kühlen der Brennstoffzelle wird durch die Einführung von flüssigem Wasser in die Zufuhrgase unterstützt, insbesondere, wenn Wärme von der Zelle verwendet wird, um die zur Verdunstung erforderliche Wärme vorzusehen.
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Zusätzlich zu den Problemen des Wassergleichgewichts und der Zellenbefeuchtung ist ein weiteres Problem der Brennstoffzellenkonstruktion zur Verwendung in Fahrzeugen auf die effiziente Verwendung von Raum gerichtet. Diesbezüglich ist Raum in einem Fahrzeug wertvoll, und Versuche mit einer Konstruktion, die den dauerhaften Gebrauch von Raum in dem Fahrzeug minimiert, haben einen deutlichen Nutzen für den Gebrauchswert des Fahrzeugs. Dies führt zu dem Wunsch, das Befeuchtungssystem in jede der Brennstoffzellen zu integrieren.
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Der Bedarf nach Effizienz im Betrieb wie auch nach einer stärkeren Integration bei der Kühlung und Befeuchtung, um eine effiziente Raumverwendung in Brennstoffzellensystemen zu erreichen, ist weiterhin stark ausgeprägt. Daher besteht für ein Brennstoffzellen-Energiesystem ein Bedarf nach einer Befeuchtung der Zufuhrgase (insbesondere des Oxidationsmittels) und danach, dass ein Minimum an Raum für den Befeuchtungsvorgang benötigt wird. Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, diesen Bedarf zu erfüllen.
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Um diesem Bedarf gerecht zu werden, schlägt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellen-Energiesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb desselben mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vor.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-Energiesystem mit einem Brennstoffzellenstapel, der ein Oxidationsmittel in einen Oxidationsmitteleinlass von einem Kompressor aufnimmt, der das Oxidationsmittel von einem Einlassdruck zunehmend auf einen Austragsdruck unter Druck setzt, wobei eine (Rückführ-)Fluidverbindung zwischen dem Oxidationsmittelabfluss von der Brennstoffzelle und dem zunehmend unter Druck gesetzten Oxidationsmittel in dem Kompressor bei einem dazwischen befindlichen Druck vorhanden ist, der nicht größer als der Oxidationsmittelabflussdruck ist und zwischen dem Kompressoreinlassdruck und dem Kompressoraustragsdruck liegt. Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Fluidverbindung zu einem Kompressor durch das Kompressorgehäuse in den inneren Druckbeaufschlagungsraum des Kompressors hergestellt.
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Es ist ein Druckregler vorgesehen, der den Durchfluss wie auch den Druck des Oxidationsmittelabflusses in die Fluidverbindung zu dem Kompressor verwaltet. Es wird der Kompressorenergieverbrauch, die Kompressoraustragstemperatur, Feuchtigkeit und/oder Druck gemessen und dazu verwendet, den Regler und/oder Kompressor zu steuern.
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Bei einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung koordiniert ein Steuercomputer Durchflüsse in dem Brennstoffenergiesystem in Ansprechen auf die Messungen des Kompressorenergieverbrauchs, der Kompressoraustragstemperatur, der Feuchte und/oder des Drucks.
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Wenn man die Vorteile der vorliegenden Erfindung betrachtet, sieht die Integration der Befeuchtungsvorgänge mit einer effektiven Rückführung von Feuchte von dem Brennstoffzellenabfluss zusammen mit dem inhärenten Mischen, das in der Innenumgebung eines Kompressors vorgesehen ist, eine Basis für eine Volumen-, Gewichts- wie auch Kostenverringerung in einem Brennstoffzellensystem vor.
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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 einen Überblick über ein Brennstoffzellen-Energiesystem zeigt;
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2 ein Detail in einem Abschnitt eines PEM-Brennstoffzellenstapels in der Brennstoffzellenstapelanordnung des Brennstoffzellen-Energiesystems von 1 zeigt;
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3 ein Blockflussdiagramm des Brennstoffzellenstapels von 2 mit einem Kompressor, um ein Oxidationsmittelzufuhrgas unter Druck zu setzen, einem Oxidationsmittelrückführstrom und einem Steuercomputer zeigt;
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4 ein Schaubild einer Druckbeaufschlagung durch den Verdrängungskompressor zeigt; und
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5a und 5b zwei Ansichten eines Schraubenkompressors mit einer Rückführgasverbindung zeigen.
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Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist lediglich beispielhafter Natur.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf ein allgemeines Brennstoffzellen-Energiesystem beschrieben. Daher wird vor einer weiteren Beschreibung der vorliegenden Erfindung ein allgemeiner Überblick über das Energiesystem gegeben, in dem die verbesserten Brennstoffzellen der Erfindung arbeiten. In dem System wird ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff in einem Brennstoffprozessor beispielsweise durch Reformierungs- oder Partialoxidationsprozesse verarbeitet, um ein Reformatgas zu erzeugen, das einen relativ hohen Wasserstoffgehalt auf einer Volumenbasis und der Molbasis aufweist. Daher ist mit ”wasserstoffhaltig” ein relativ hoher Wasserstoffgehalt gemeint. Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit einer Brennstoffzelle beschrieben, die durch ein H2-haltiges Reformat beliefert wird, ungeachtet des Verfahrens, durch das ein solches Reformat hergestellt wird. Es sei zu verstehen, dass die hier ausgeführten Grundsätze auf Brennstoffzellen anwendbar sind, die durch H2 beliefert werden, der von einer beliebigen Quelle erhalten wird, wie beispielsweise reformierbarem Kohlenwasserstoff und wasserstoffhaltigen Brennstoffen, wie Methanol, Ethanol, Benzin, Alkalin oder anderen aliphatischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffen.
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Wie in 1 gezeigt ist, umfasst ein Brennstoffzellen-Energiesystem 100 einen Brennstoffprozessor 112 zur katalytischen Reaktion eines reformierbaren Kohlenwasserstoff-Brennstoffstroms 114 und Wasser in der Form von Wasserdampf von einem Wasserstrom 116. Bei einigen Brennstoffprozessoren wird Luft auch in einer Kombination aus Reaktion mit selektiver bzw. bevorzugter Oxidation und Wasserdampfreformierungsreaktion verwendet. In diesem Fall nimmt der Brennstoffprozessor 112 auch einen Luftstrom 118 auf. Der Brennstoffprozessor 112 enthält einen oder mehrere Reaktoren, in denen der reformierbare Kohlenwasserstoff-Brennstoff in Strom 114 in der Anwesenheit von Wasserdampf in Strom 116 und Luft in Strom 118 aufgespalten 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 unterstromige Reaktoren, wie beispielsweise Wasser-Gas-Shift-Reaktoren (WGS) und/oder Reaktoren für selektive Oxidation (PrOx), die dazu verwendet werden, das Niveau an Kohlenmonoxid in dem Reformatstrom 120 auf akzeptable Niveaus, beispielsweise unterhalb 20 ppm abzusenken. Das H2-haltige Reformat 120 wird durch die Anodenkammer des Brennstoffzellenstapelsystems 122 zugeführt. Gleichzeitig wird Sauerstoff in der Form von Luft in Strom 124 in die Kathodenkammer des Brennstoffzellenstapelsystems 122 zugeführt. Der Wasserstoff von dem Reformatstrom 120 und der Sauerstoff von dem Oxidationsmittelstrom 124 reagieren in dem Brennstoffzellenstapelsystem 122, um Elektrizität zu erzeugen.
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Der Anodenaustrag (oder -abfluss) 126 von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapelsystems 122 umfasst einigen nicht reagierten Wasserstoff. Der Kathodenaustrag (oder -abfluss) 128 von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapelsystems 122 kann einigen nicht reagierten Sauerstoff umfassen. Diese nicht reagierten Gase repräsentieren zusätzliche Energie, die in dem Brenner 130 in der Form von Wärmeenergie für verschiedene Wärmeanforderungen innerhalb des Energiesystems 100 rückgewonnen wird.
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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 dem Kathodenabflussstrom 128 abhängig von den Betriebsbedingungen des Energiesystems 100 geliefert wird. Der Brenner 130 trägt einen Abgasstrom 136 an die Umgebung aus, und die dadurch erzeugte Wärme wird nach Bedarf an den Brennstoffprozessor 112 geführt.
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In 2 ist schematisch ein teilweiser PEM-Brennstoffzellenstapel 200 des Brennstoffzellenstapelsystems 122 mit einem Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 208 und 210 gezeigt, die voneinander durch eine nicht poröse, elektrisch leitende 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, flüssigkeitsgekühlten Platten 214 und 216 aneinander gestapelt. Die Platten 212, 214, 216 umfassen jeweils jeweilige Strömungsfelder 218, 220, 222, die aus einer Vielzahl von Strömungskanälen hergestellt sind, die in den Seiten der Platten ausgebildet sind, um Brennstoff- und Oxidationsmittelgase (d. h. H2 & O2) an die reaktiven Seiten der MEAs 208, 210 zu verteilen. Nichtleitende Dichtungsscheiben oder Dichtungen 226, 228, 230, 232 sehen eine Dichtung und elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Platten des Brennstoffzellenstapels 200 vor.
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Poröse, für Gas durchlässige und elektrisch leitende Lagen 234, 236, 238, 240 werden an die Elektrodenseiten der MEAs 208, 210 gepresst und dienen als Primärstromkollektoren für die jeweiligen Elektroden. Die Primärstromkollektoren 234, 236, 238, 240 sehen auch mechanische Abstützungen für die MEAs 208, 210 insbesondere an Orten vor, an denen die MEAs ansonsten in dem Strömungsfeld ungestützt sind. Die bipolare Platte 214 wird an den Primärstromkollektor 234 an der Kathodenseite 208c der MEA 208 gepresst, die bipolare Platte 216 wird an den Primärstromkollektor 240 an der Anodenseite 210a der MEA 210 gepresst, und die bipolare Platte 212 wird an den Primärstromkollektor 236 an der Anodenseite 208a der MEA 208 und an den Primärstromkollektor 238 an der Kathodenseite 210c der MEA 210 gepresst.
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Ein Oxidationsmittelgas, wie beispielsweise Luft bzw. Sauerstoff, wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 200 von der Luftquelle 242 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 244 geliefert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird Luft an die Kathodenseite von der Umgebung über einen Kompressor geliefert. Ein Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, wird an die Anodenseite der Brennstoffzelle 200 von einer Brennstoffzelle 246 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 248 geliefert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Anodenzufuhrstrom von einem Reformer nach einem katalytischen Aufspalten von Wasserstoff aus dem Kohlenwasserstoff-Brennstoff geliefert, wie hier vorher beschrieben wurde.
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Es ist auch eine Austragsverrohrung (nicht gezeigt) für sowohl die H2- als auch O2/Luft-Seiten der MEAs 208, 210 vorgesehen, um einen Anodenabfluss von dem Anodenströmungsfeld und den Kathodenabfluss von dem Kathodenströmungsfeld zu entfernen. Es ist auch eine Kühlmittelverrohrung 250, 252 vorgesehen, um flüssiges Kühlmittel an die bipolaren Platten 214, 216 nach Bedarf zu liefern bzw. nach Bedarf von diesen auszutragen. Es sei angemerkt, dass der Brennstoffzellenstapel 200 zwei Brennstoffzellen zeigt, wobei eine Platte 212 zwischen den beiden Brennstoffzellen und Platten 214, 216 geteilt wird.
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In 3 ist gezeigt, dass der Brennstoffzellenstapel 122 und die Leitung 124 aus 1 in einem schematischen Schaubild 300 mit weiteren Details des Kompressors 302 zum Druckbeaufschlagen des Oxidationsmittelzufuhrgases in Leitung 124 wiederholt sind. Das schematische Schaubild 300 zeigt auch einen Oxidationsmittelrückführstrom 322 und einen Steuercomputer 318. Die Kühlmittelleitungen 250, 252 von dem Brennstoffzellenstapel 200 sind aus 2 wiederholt. Das Kühlmittel in diesen Leitungen wird bevorzugt gesteuert, um einen befeuchteten Oxidationsmittelabfluss (bei einer relativen Feuchte von etwa 100%) beizubehalten, der von dem Brennstoffzellenstapelsystem 122 in Leitung 306 bei einer Temperatur zwischen 80 und 85 Grad Celsius ausgetragen wird.
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Das Oxidationsmittelzufuhrgas in Leitung 124 wird durch den Kompressor 302 unter Druck gesetzt, um eine unter Druck gesetzte Oxidationsmittelzufuhr in Leitung 304 bei einem Kompressoraustragsdruck vorzusehen, der höher als der Druck in der Leitung 124 an dem Einlass zu dem Kompressor 302 ist.
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Der Austragsdruck an der unter Druck gesetzten Oxidationsmittelzufuhr 304 wird von dem Druckabfall über das Brennstoffzellenstapelsystem 122 und auch von dem Druckabfall über den Gegendruckregler 310 und Druckregler 308 bestimmt. Der Oxidationsmittelabfluss, der von dem Brennstoffzellenstapelsystem 122 in Leitung 306 ausgetragen wird, sieht eine rückgeführte Oxidationsmittelzufuhr zu der Leitung 322 vor, die mit dem unter Druck stehenden Fluid in dem Kompressor 302 in Fluidverbindung steht. Diesbezüglich sieht ein Zwischeneinlass in dem Gehäuse des Kompressors 302 einen Fluidverbindungspfad zwischen Leitung 322 und dem in dem Kompressor 302 definierten Kompressionsraum vor.
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Die Oxidationsmittelzufuhr in Leitung 304 wird hinsichtlich Temperatur, Druck und Feuchtigkeit durch geeignete Sensoren 312, 314 bzw. 316 überwacht. Ähnlicherweise wird der Kompressor 302 hinsichtlich der Leistung durch einen geeigneten Sensor überwacht, wie beispielsweise einen Stromsensor. Signalleitungen verbinden den Temperatursensor 312, den Drucksensor 314 und den Feuchtesensor 316, den Druckregler 308, den Leistungssensor 320 und den Gegendruckregler 310, um den Computer 318 so zu steuern, dass eine Logik in dem Steuercomputer 318 den Druckregler 308 und den Gegendruckregler 310 so steuert, dass ein gewünschter Satz von Brennstoffzellensystemaspekten bereitgestellt wird, die durch die Temperaturmessung 312, Druckmessung 314, Feuchtemessung 316 und Leistungsmessung 320 vorgesehen werden.
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In 4 ist für den Kompressor 302 ein Schaubild 400 der Druckbeaufschlagung eines Verdrängungskompressors dargestellt. Das Schaubild 400 zeigt die zunehmende Druckbeaufschlagung der Oxidationsmittelzufuhr in Leitung 124 von einem Kompressoreinlassdruck (P0) auf einen Kompressoraustragsdruck (wie durch Sensor 314 gemessen) bei P1 durch Verwendung des Kompressors 302. Die Leitung 322 überwacht den Zwischendruck des Kompressors 302 so, dass der Druck in dem Kompressor 302 durch Kurve 402 repräsentiert wird. Diesbezüglich zeigt die Druckkurve 402 einen Zwischendruck, der nicht größer als der Oxidationsmittelabflussdruck in Leitung 306 ist und zwischen dem Einlassdruck des Kompressors 302 und dem Austragsdruck des Kompressors 302 (bei Sensor 314) liegt.
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In 5A ist die Verbindung 502 zur fluidmäßigen Verbindung der Leitung 322 durch das Gehäuse 500 des Kompressors 302 gezeigt, so dass im Betrieb des Kompressors 302 der Druck in dem Kompressor 302 auf einen Zwischendruck an dem Einführpunkt ist, wie in Kurve 402 gezeigt ist. 5B zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Gehäuses 500 eines Schraubenkompressors 302 mit der Rückführgasverbindung 502, die wiederholt ist, um die axiale Einführposition zu zeigen, so dass ein Zwischendruck erreicht wird, der nicht größer als der Oxidationsmittelabflussdruck von Leitung 306 ist und zwischen dem Einlassdruck P0 des Kompressors 302 von Leitung 124 und dem Austragsdruck P1 des Kompressors 302 von Leitung 304 (wie durch Drucksensor 314 gemessen) liegt. Während der Einsatzpunkt so gezeigt worden ist, dass er allgemein in der Mitte des Pumpengehäuses 500 angeordnet ist, ist es für Fachleute offensichtlich, dass der exakte Ort des Einführpunktes abhängig von den Betriebsbedingungen des den Kompressor umfassenden Systems variieren kann.
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Zusammengefasst nimmt ein Brennstoffzellenstapel ein Oxidationsmittel in einen Kompressor auf, der das Oxidationsmittel von einem Einlassdruck zunehmend auf einen Austragsdruck unter Druck setzt, wobei eine Fluidverbindung zwischen einem Oxidationsabfluss von dem Brennstoffzellenstapel und dem zunehmend unter Druck gesetzten Oxidationsmittel in dem Kompressor bei einem Zwischendruck zwischen dem Kompressoreinlassdruck und dem Kompressoraustragsdruck vorhanden ist. Es ist ein Druckregler vorgesehen, um den Druck der Rückführströmung des Oxidationsmittelabflusses der Zelle zu dem Kompressor zu verwalten, und es wird der Kompressorenergieverbrauch und/oder die Kompressoraustragstemperatur, Feuchte und/oder der Druck gemessen, um den Regler weiter zu steuern.
