DE102006019114A1

DE102006019114A1 - Brennstoffzellenbetriebsverfahren zur verbesserten Wasserstoff- und Sauerstoffverwendung

Info

Publication number: DE102006019114A1
Application number: DE102006019114A
Authority: DE
Inventors: Ralf Senner; Michael Cartwright; John Tomball Wheat
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2026-04-26
Also published as: US7820333B2; US20060240302A1; DE102006019114B4

Abstract

Es ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, bei dem eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einer Serie von Stufen angeordnet ist, wobei die Anzahl von Brennstoffzellen in jeder Stufe von einem Anodengaseinlass zu dem Anodengasauslass abnimmt. Das System erlaubt eine parallele Strömung zu allen Zellen in einer gegebenen Stufe und eine serielle Strömung zwischen den verschiedenen Stufen. Eine ähnliche Anordnung ist auf einer Kathodenseite des Systems vorhanden. Jedoch ist die Strömungsrichtung umgekehrt, wobei eine größere Anzahl von Zellen in der Stufe, die dem Kathodenauslass am Nächsten liegt, und eine geringere Zahl von Zellen in der Stufe, die dem Kathodengaseinlass nahe liegt, vorgesehen ist. Die Erfindung sieht ferner vor, dass die verschiedenen Stufen so angeordnet sind, dass die Strömungsrichtung des Anodengases einer gegebenen Stufe allgemein der Strömungsrichtung des Kathodengases einer gegebenen Stufe entgegengesetzt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere die Steuerung der Verteilung von relativer Feuchte, Luft und Brennstoff in Brennstoffzellen.

Brennstoffzellen werden als eine Energiequelle für Elektrofahrzeuge, stationäre Energieversorgungen und andere Anwendungen verwendet. Eine bekannte Brennstoffzelle ist die PEM-Brennstoffzelle (d.h. Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran), die eine so genannte MEA ("Membranelektrodenanordnung") mit einem dünnen Festpolymermembranelektrolyt umfasst, der auf einer Seite eine Anode und auf der entgegengesetzten Seite eine Kathode aufweist. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Kontaktelemente angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen, die geeignete Kanäle und Öffnungen darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden (d.h. H₂ und O₂/Luft) der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anode und Kathode enthalten können.

PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Vielzahl der MEAs, die in elektrischer Reihe aneinander gestapelt sind, während sie voneinander durch ein undurchlässiges elektrisch leitendes Kontaktelement getrennt sind, das als eine bipolare Platte oder Stromkollektor bekannt ist. Bei einigen Typen von Brennstoffzellen besteht jede bipolare Platte aus zwei separaten Platten, die mit einem Fluiddurchgang dazwischen aneinander befestigt sind, durch den ein Kühlmittelfluid strömt, um Wärme von beiden Seiten der MEAs zu entfernen. Bei andere Typen von Brennstoffzellen umfassen die bipolaren Platten sowohl einzelne Platten als auch aneinander befestigte Platten, die in einem sich wiederholenden Muster angeordnet sind, wobei zumindest eine Oberfläche jeder MEA durch ein Kühlmittelfluid gekühlt wird, das durch die aus zwei Platten bestehenden bipolaren Platten strömt.

Die Brennstoffzellen werden auf eine Art und Weise betrieben, die die MEAs in einem befeuchteten Zustand hält. Das Niveau der Feuchtigkeit der MEAs beeinflusst die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle. Wenn zusätzlich eine MEA zu trocken betrieben wird, kann die MEA beschädigt werden, was einen unmittelbaren Ausfall bewirken oder die Nutzlebensdauer der Brennstoffzelle verringern kann. Um ein Austrocknen der MEAs zu vermeiden, werden die typischen Brennstoffzellen in einem Zustand betrieben, in dem die Feuchte der MEA größer als 100 % ist und flüssiges Wasser in der Brennstoffzelle bei der Erzeugung von Elektrizität gebildet wird. Zusätzlich werden die Kathoden- und/oder Anodenreaktandengase, die an die Brennstoffzelle geliefert werden, ebenfalls befeuchtet, um das Austrocknen der MEAs an den Orten benachbart der Einlässe für die Reaktandengase zu verhindern.

Der Betrieb der Brennstoffzellen, wenn die MEAs mit mehr als 100 % befeuchtet werden, beschränkt jedoch die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels. Genauer beeinträchtigt die Bildung von flüssigem Wasser die Diffusion von Gas an die MEAs, wodurch deren Leistungsfähigkeit beschränkt wird. Das flüssige Wasser wirkt auch als eine Strömungsblockierung, die eine Zellenströmung verringert und eine noch höhere relative Feuchte der Brennstoffzelle bewirkt, die zu einem instabilen Brennstoffzellenbetriebsverhalten führen kann. Zusätzlich kann die Bildung von flüssigem Wasser in der Zelle einen erheblichen Schaden bewirken, wenn die Brennstoffzelle abgeschaltet und Frostbedingungen ausgesetzt wird.

Dies tritt auf, wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist und die Temperatur in der Brennstoffzelle unter den Gefrierpunkt abfällt, wobei das flüssige Wasser darin gefriert und sich ausdehnt, wodurch die Brennstoffzelle möglicherweise beschädigt wird.

Somit wäre es vorteilhaft, die Brennstoffzelle auf eine Art und Weise zu steuern und zu betreiben, die die Bildung von flüssigem Wasser darin verhindert und/oder begrenzt. Es wäre weiter vorteilhaft, wenn eine derartige Steuerung oder ein derartiger Betrieb der Brennstoffzelle zur Folge hätte, dass die MEA in einem befeuchteten Zustand betrieben wird, der eine optimale Leistungsfähigkeit vorsieht.

Die Steuerung der Betriebsbedingungen in der Brennstoffzelle hat sich jedoch als schwierig herausgestellt. Insbesondere können das Messen und das Steuern der Feuchte der gasförmigen Reaktandenströme, die in die Brennstoffzelle strömen, schwierig sein. Herkömmlich wird eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung (WVT) verwendet, um das Kathodenreaktandengas vor Eintritt in die Brennstoffzelle zu befeuchten. Der Betrieb der WVT ist jedoch schwierig zu charakterisieren und infolgedessen kann die exakte Feuchte des Kathodenreaktandengases, das in die Brennstoffzelle strömt, nur schwierig festgestellt werden. Die WVT-Vorrichtung und die zugeordnete Ausstattung tragen auch zu den Kosten und dem Volumen des Brennstoffzellensystems bei. Somit wäre es vorteilhaft, eine Brennstoffzelle mit einem verringerten oder gar keinem Bedarf für eine WVT zu steuern und zu betreiben.

Die vorliegende Erfindung umfasst eine neuartige Art zur Steuerung der Feuchtigkeit einer Brennstoffzelle, während gleichzeitig ein effizienteres Mittel zur Brennstoff- und Luftverteilung in der Zelle vorgesehen wird. Genauer sieht die vorliegende Erfindung ein System vor, bei dem eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einer Serie von Stufen angeordnet sind, wobei die Anzahl von Zellen in jeder Stufe von dem Anodengaseinlass zu dem Anodengasauslass abnimmt. Das System ermöglicht eine Parallelströmung zu allen Zellen in einer gegebenen Stufe und eine serielle Strömung zwischen den verschiedenen Stufen. Eine ähnliche Ausgestaltung ist auf der Kathodenseite des Systems vorgesehen.

Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und 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.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine vereinfachte schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems, das Kathoden- und Anodengasströmungsdurchgänge zeigt, gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine schematische Darstellung eines teilweisen Brennstoffzellensystemsist, das den Strömungspfad von Anodengasen in dem System darstellt;
3 eine schematische Darstellung eines teilweisen Brennstoffzellensystemsist, das den Strömungspfad von Kathodengasen in dem System darstellt;
4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystemsist, das einen Abzweigstapel umfasst.
In 1 ist eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems 10 vorgesehen, das gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Vielzahl von Brennstoffzellen 12, von denen jede eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 14, eine Anodengasverteilungsschicht, die an einem Anodengasströmungsfeld 16 vorgesehen ist, und eine Kathodengasverteilungsschichtumfasst, die an einem Kathodengasströmungsfeld 18 vorgesehen ist. Die Brennstoffzellen 12 sind in einer ersten Stufe 20 und in einer zweiten Stufe 22 angeordnet. Ein Anodengaseinlassverteiler 24 sieht einen Einlass für in das Brennstoffzellensystem 10 eingeführtes Anodengas vor. Ein Anodengaseinlass/Austragsverteiler 26 sieht eine Verbindung für Anodengas vor, das von der ersten Stufe 20 zu der zweiten Stufe 22 gelangt. Ein Anodengasaustragsverteiler 28 sieht einen Auslass für Anodengase vor, die das Brennstoffzellensystem 10 verlassen. Ein Kathodengaseinlassverteiler 30 sieht einen Einlass für Kathodengas vor, das in das Brennstoffzellensystem 10 eingeführt wird. Ein Kathodengaseinlass/Austragsverteiler 32 sieht eine Verbindung für Kathodengas vor, das von der zweiten Stufe 22 zu der ersten Stufe 20 gelangt. Ein Kathodengasaustragsverteiler 34 sieht einen Auslass für Kathodengase vor, die das Brennstoffzellensystem 10 verlassen. Die erste Stufe 20 besteht beispielsweise aus vier Brennstoffzellen 12, und die zweite Stufe 22 besteht aus zwei Brennstoffzellen 12. Der Anodengaseinlassverteiler 24 ist mit der ersten Stufe 20 gekoppelt und steht in Verbindung mit dem Anodengasströmungsfeld 16 für jede MEA 14. Das Anodengasströmungsfeld 16 jeder MEA 14 der ersten Stufe 20 ist mit der zweiten Stufe 22 durch den Anodengaseinlass/Austragsverteiler 26 gekoppelt. Das Anodengas kann dann die zweite Stufe 22 durch den Anodengasaustragsverteiler 28 verlassen, der in Verbindung mit der Anodengasströmungsseite 16 jeder MEA 14 in der zweiten Stufe 22 steht. Der Kathodengaseinlassverteiler 30 ist mit der zweiten Stufe 22 gekoppelt und steht in Verbindung mit dem Kathodengasströmungsfeld 18. Das Kathodengasströmungsfeld 18 jeder Brennstoffzelle 12 der zweiten Stufe 22 ist mit der ersten Stufe 20 durch den Einlass/Austragsverteiler 32 für Anodengas gekoppelt. Das Kathodengas kann dann die erste Stufe 20 durch einen Kathodengasaustragsverteiler 34 verlassen, der mit dem Kathodengasströmungsfeld 18 jeder Brennstoffzelle 12 der ersten Stufe 20 in Verbindung steht. Es sei angemerkt, dass der Einlass und Auslass an der Kathodenseite umgekehrt werden können, wodurch zugelassen wird, dass die Kathodenströmung allgemein in derselben Richtung wie die Anodenströmung erfolgen kann.
Die 2 und 3 sind vereinfachte schematische Ansichten des Brennstoffzellensystems 10, wobei die Figuren separat die Anoden- bzw. Kathodensektionen zeigen. In den 2 und 3 umfasst das Brennstoffzellensystem 10 eine erste Stufe 42, eine zweite Stufe 48 und eine dritte Stufe 56. 2 zeigt die Anodensektion. Die Anodensektion umfasst ein Anodengaseinlassventil 36. Eine Ausgestaltung eines Anodengaseinlassventils 36 macht Gebrauch von einem mechanischen Druckregler, um den Brennstoffdruck von einer Brennstoffspeichereinheit zu verringern und damit die Brennstoffströmung in den Stapel 10 zu steuern. Der Regler kann eine von oben beladene Ausgestaltung sein, die ermöglicht, dass der Druck in die erste Stufe den Kathodeneinlassdruck, der in die dritte Stufe 56 eintritt, nachführen kann. Das Einlassventil 36 steht in Verbindung mit dem Anodengaseinlassverteiler 38, der in Verbindung mit einer Serie von Anodenströmungsfelddurchgängen 44, acht bei dem vorliegenden Beispiel, in der ersten Stufe 42 steht. Die Anodenströmungsfelddurchgänge 44 sind in einer parallelen Ausgestaltung mit einem Austritt von der ersten Stufe 42 durch einen ersten Einlass/Austragsverteiler 46 für Anodengas angeord net. Der erste Einlass/Austragsverteiler 46 für Anodengas dient als ein Einlass in die zweite Stufe 48 in dem Brennstoffzellensystem 10.
Der erste Einlass/Austragsverteiler 46 für Anodengas speist eine Vielzahl von Anodenströmungsfelddurchgängen 52, vier bei dem vorliegenden Beispiel, in der zweiten Stufe 48. Die Anzahl von Anodenströmungsfelddurchgängen 52 in der zweiten Stufe 48 ist geringer als die Anzahl von Anodenströmungsfelddurchgängen 44 in der ersten Stufe 42. Die verbleibenden Anodengase von der zweiten Stufe 48 verlassen die zweite Stufe 48 und wandern zu der dritten Stufe 56 durch einen zweiten Einlass/Austragsverteiler 54 für Anodengas.
Die verbleibenden Gase strömen dann durch eine dritte Vielzahl von Anodenströmungsfelddurchgängen 58, zwei bei dem vorliegenden Beispiel, in der dritten Stufe 56. Die Anzahl von Anodenströmungsfelddurchgängen 58 in der dritten Stufe 56 ist geringer als die Anzahl von Anodenströmungsfelddurchgängen 52 in der zweiten Stufe 48. Die Gase, die durch die Anodenströmungsfelddurchgänge 58 der dritten Stufe 56 gelangen, können das System durch einen Anodengasaustragsverteiler 62 verlassen. Ein Anodengasauslassventil 64 steht in Verbindung mit dem Anodengasaustragsverteiler 62, um die Steuerung der Systemdrücke zu unterstützen. Das Anodengasauslassventil 64 kann ein Ein/Aus-Solenoid oder ein Proportionalsteuerventil sein. In der Ein/Aus-Ausgestaltung wäre das Anodengasauslassventil 64 einen Großteil der Zeit geschlossen, um zu ermöglichen, dass Inertgase, die über die MEA 14 von der Kathode diffundiert sind, oder Nebenprodukte der Brennstoffreformierung, sich in der dritten Stufe 56 aufbauen können. Das Anodengasauslassventil 64 wird periodisch geöffnet, um Inertgase und Wasser von der dritten Stufe 56 auf Grundlage entweder der Spannung in der dritten Stufe 56 oder durch vorhergesagte Inertgaskonzentrationen in der dritten Stufe 56 zu spülen.
Die kaskadenartige Ausgestaltung resultiert in einer insgesamt niedrigeren Anodenstapelstöchiometrie im Vergleich zu der Stöchiometrie in jeder Stufe des Stapels.
Das Anodenbrennstoffgas ist gut befeuchtet, wenn es die dritte Stufe 56 erreicht. Durch Diffusion und elektroosmotische Verschleppung wird Wasserdampf an die Luft in der Kathodengasverteilungsschicht 18 des Stapels überführt, wodurch der Bedarf nach einer Einlasskathodenbefeuchtung verringert oder beseitigt wird. Die Verwendung von trockenem oder teilweise befeuchtetem Kathodengas, das in der dritten Stufe 56 gegenstromig strömt, verhindert die Ansammlung von Wasser in dem Auslass der Anodengasverteilungsschicht 16 des Stapels aufgrund von Wasserdiffusion über die MEA 14 und einer verbesserten Stapelleistungsfähigkeit. Durch die abnehmende Anzahl von Brennstoffzellen 12 in jeder aufeinander folgenden Stufe 42, 48, 56 des Systems bleibt die Anodengasgeschwindigkeit von Stufe zu Stufe gleich oder nimmt von Stufe zu Stufe zu. Die Stöchiometrie des Anodengases kann von Stufe zu Stufe abhängig von der Anzahl von Zellen in jeder Stufe zunehmen oder abnehmen.
3 zeigt die Kathodensektion. Die Kathodensektion umfasst ein Einlassventil 66 in Verbindung mit einem Kathodengaseinlassverteiler 68, der an der dritten Stufe 56 vorgesehen ist. Der Kathodengaseinlassverteiler 68 steht in Verbindung mit den Kathodengasströmungsfelddurchgängen 72 der dritten Stufe 56. Die dritte Stufe 56 enthält eine Vielzahl von Kathodenströmungsfelddurchgängen 72, zwei bei dem vorliegenden Beispiel. Diese Durchgänge sind parallel zueinander angeordnet, wodurch zugelassen wird, dass das Gas die dritte Stufe 56 durch einen Einlass/Austragsverteiler 76 für Kathodengas verlassen kann.
Der Einlass/Austragsverteiler 76 für Kathodengas steht in Verbindung mit einer zweiten Stufe 48. Ein zweites Kathodengaseinlassventil 84 steht ebenfalls in Verbindung mit dem Einlass/Austragsverteiler 76 für Kathodengas. Die zweite Stufe 48 enthält eine Vielzahl von Kathodenströmungsfelddurchgängen 82, vier bei dem vorliegenden Beispiel, die in einer parallelen Ausgestaltung angeordnet sind. Diese Kathodenströmungsfelddurchgänge 82 erlauben, dass Gase durch einen zweiten Einlass/Austragsverteiler 86 für Kathodengas in die erste Stufe 42 gelangen können.
Der zweite Einlass/Austragsverteiler 86 für Kathodengas steht in Verbindung mit der ersten Stufe 42. Ein drittes Kathodengaseinlassventil 90 steht in Verbindung mit dem zweiten Einlass/Austragsverteiler 86 für Kathodengas. Die erste Stufe 42 enthält eine Vielzahl von Kathodenströmungsfelddurchgängen 92, die parallel angeordnet sind. Die Kathodenströmungsfelddurchgänge 92 stehen in Verbindung mit einem Kathodengasaustragsverteiler 94. Der Kathodengasaustragsverteiler 94 steht in Verbindung mit einem Kathodengasaustragsventil 96. Die kaskadenartige Ausgestaltung resultiert in einer insgesamt niedrigeren Kathodenstapelstöchiometrie im Vergleich zu der Stöchiometrie in jeder Stufe des Stapels.
Die Verwendung von mehreren Kathodengaseinlassventilen 66, 84 und 90 sorgt für einen geringeren Kathodenstapeldruckabfall als bei einem kaskadenartigen System, bei dem die gesamte Kathodenströmung an die dritte Stufe 56 geliefert wird. Dieser insgesamt niedrigere Kathodenstapeldruckabfall resultiert in einer verringerten Energieanforderung für die Pumpe/den Kompressor in dem Brennstoffzellensystem 10. Er verringert auch die Differenz des Druckes zwischen dem Gas in den Anodengasströmungsfelddurchgängen und dem Gas in den Kathodengasströmungsfelddurchgängen in jeder Zelle 12 des Brennstoffzellensystems 10.
Zurück zu 1 wird Wasser in den zur Verteilung von Kathodengas dienenden Strömungsfelddurchgängen 18 durch eine elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 12 erzeugt. Ein Anteil dieses Wassers diffundiert über die MEA 14 an die Anode, während das verbleibende Wasser jede Stufe 20 und 22 in dem Kathodenaustrag verlässt. Das befeuchtete Austragsoxidationsmittelgas der oberstromigen Stufe wird mit dem zusätzlichen Oxidationsmittelgas vor Eintritt in die unterstromige Stufe 20 gemischt, wodurch das neu eingeführte Kathodengas befeuchtet wird. Das Führen der Inertgase von der oberstromigen Stufe 22 zu der unterstromigen Stufe 20 erlaubt auch eine erhöhte Geschwindigkeit in den Strömungsfeldkanälen der unterstromigen Stufe 20. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit in dem Oxidationsmittelströmungsfeld hat gezeigt, dass die Entfernung von Wassertröpfchen verbessert wird und die Stapelleistungsfähigkeit verbessert wird, insbesondere bei niedriger Leistung. In der ersten Stufe 20, der letzten Stufe der Kathodenströmung, diffundiert der Wasserdampf in dem Kathodenstrom über die MEA 14, wodurch der Anodeneinlassstrom befeuchtet wird und der Bedarf nach einer externen Befeuchtung des Wasserstoffstroms beseitigt wird.
Zurück zu 3 kann das erste Ventil 66 in Verbindung mit dem Kathodengaseinlassverteiler 68 entfernt werden und Luft kann direkt von dem Luftliefersystem verwendet werden. Der Kathodenaustrag, der die dritte Stufe 56 verlässt, mischt sich mit frischem Oxidationsmittel, gesteuert durch das zweite Kathodengaseinlassventil 84, und tritt in die zweite Stufe 48 ein, wodurch das frische Oxidationsmittel befeuchtet wird. Das zweite Kathodengaseinlassventil 84 ist so bemessen, dass eine große Variation der Kathodenstöchiometrie, die in die zweite Stufe 48 gelangt, ermöglicht wird und ein Druckabfall gleich dem Kathodendruckabfall in der dritten Stufe 56 vorgesehen wird. Die Kathodenströmung, die die zweite Stufe 48 verlässt, mischt sich mit dem frischen Oxidationsmittel, gesteuert durch das dritte Kathodengaseinlassventil 90, vor Eintritt in die erste Stufe 42. Das dritte Kathodengaseinlassventil 90 sollte auch in der Lage sein, einen breiten Bereich an Kathodenstöchiometrie, die in die erste Stufe 42 gelangt, zu ermöglichen, und sollte einen Druckabfall gleich dem Kathodendruckabfall über die Stufen Zwei 48 und Drei 56 vorsehen. Das Kathodengasauslassventil 96 wird dazu verwendet, einen Gegendruck für den Kathodenstapel zu steuern. Ein weiterer Vorteil der Mehrventilausgestaltung ist eine Erhöhung der Systemsteuerflexibilität. Wenn beispielsweise eine Stufe aufgrund von Fluten instabil wird, kann die Kathodenstöchiometrie in der problematischen Stufe erhöht werden, um flüssiges Wasser zu entfernen und die problematische Stufe auszutrocknen.
Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, sind die Anoden- und Kathodenströmungsfelddurchgänge 44, 52, 58, 72, 82 und 92 derart angeordnet, dass die Strömung der Anodengase in den Anodenströmungsfelddurchgängen 44, 52, 58 allgemein entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung der Kathodengase in den Kathodengasströmungsfelddurchgängen 72, 82 und 92 ist. Diese allgemein entgegengesetzten Strömungsrichtungen erleichtern den Durchgang von überschüssigem Wasser zwischen den Anoden- und Kathodenströmungsfelddurchgängen. Dies resultiert in dem Vorteil einer Verringerung oder sogar Beseitigung des Bedarfs nach externer Befeuchtung. Es sei angemerkt, dass es ausreicht, dass die Strömungsrichtung der Anoden- und Kathodengase relativ zu jeder Stufe in entgegengesetzten Richtungen erfolgt, und dass die entgegengesetzte Strömungsrichtung über jede MEA, obwohl es vorteilhaft ist, nicht erforderlich ist, um dennoch noch viele der Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erhalten.
Ein anderer Vorteil des vorliegenden Systems sind Kosteneinsparungen. 4 umfasst ein System, um Energie an einen sekundären Empfänger 98 direkt von dem Brennstoffzellensystem 10 bei einer Spannung, die niedriger als die des Gesamtsystems ist, zu liefern. Ein Beispiel davon wäre die Lieferung von Energie direkt an einen 12 oder 42 Volt DC/DC-Wandler 100 von einer Versorgung mit einer Spannung, die niedriger als die Gesamtsystemspannung ist. Um dies zu erreichen, können die Zellen in den kleineren Stufen, den Stufen Zwei 48 und Drei 56 in dem vorliegenden Beispiel, als ein Abgreifstapel bzw. Abzweigstapel 102 verwendet werden, um Energie mit niedrigerer Spannung an die 12 oder 42 Volt-Wandler 100 zu liefern. Um höhere Ströme in dem Abzweigstapel 102 zu unterstützen, wäre eine höhere Kathoden- und Anodenströmung für diese Zellen erforderlich. Die Ventile 66, 84 und 90 an jeder der Kathodenstufen können verwendet werden, um die Strömung von Oxidationsmittel lokal für die Zellen in dem Abzweiggebiet des Stapels, das auf elektrische Weise einen höheren Strom erzeugt, zu steigern. Die Verwendung einer größeren Anzahl von Zellen, um die Niederspannungsenergie zu liefern, verringert auch den zusätzlichen Strom, der von dem Abzweigstapel 112 gezogen wird. Infolgedessen ist die Gesamtströmung, die lokal für das Gebiet des Abzweigstapels 102 erforderlich ist, verringert.
Ein Brennstoffzellensystem 10, das eine 12 oder 42 Volt Batterie zusätzlich zu dem Abzweigstapel 102 und einem Niederspannungs-DC/DC-Wandler 100 enthält, besitzt auch eine zusätzliche Steuerflexibilität durch eine lokale Laststeuerung. Es hat sich gezeigt, dass ein stabiles Betriebsverhalten in einer Zelle durch schnelles Verringern der Last erreicht werden kann, während die Reaktandenströmungen beibehalten werden. Wenn ein großer Batteriespannungspuffer 104 in Verbindung mit dem Abzweigstapel 102 und dem Niederspannungs-DC/DC-Wandler 100 verwendet wird, kann der Strom, der von dem Abzweigstapel 102 gezogen wird, schnell unter Verwendung des Batteriepuffers 104 gesenkt werden, um die verbrauchte Energie zu puffern.
Zusammengefasst ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, bei dem eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einer Serie von Stufen angeordnet ist, wobei die Anzahl von Brennstoffzellen in jeder Stufe von einem Anodengaseinlass zu dem Anodengasauslass abnimmt. Das System erlaubt eine parallele Strömung zu allen Zellen in einer gegebenen Stufe und eine serielle Strömung zwischen den verschiedenen Stufen. Eine ähnliche Anordnung ist auf einer Kathodenseite des Systems vorhanden. Jedoch ist die Strömungsrichtung umgekehrt, wobei eine größere Anzahl von Zellen in der Stufe, die dem Kathodenauslass am Nächsten liegt, und eine geringere Anzahl von Zellen in der Stufe, die dem Kathodengaseinlass nahe liegt, vorgesehen ist. Die Erfindung sieht ferner vor, dass die verschiedenen Stufen so angeordnet sind, dass die Strömungsrichtung des Anodengases einer gegebenen Stufe allgemein der Strömungsrichtung des Kathodengases einer gegebenen Stufe entgegengesetzt ist.

Claims

Brennstoffzellensystem mit: einer Vielzahl von Brennstoffzellen, wobei jede der Brennstoffzellen eine Membranelektrodenanordnung, eine Anodenkatalysatorschicht auf einer ersten Seite der Membranelektrodenanordnung und eine Kathodenkatalysatorschicht auf einer zweiten Seite der Membranelektrodenanordnung umfasst, wobei die Vielzahl von Brennstoffzellen in zumindest zwei Stufen angeordnet ist, wobei die Vielzahl von Brennstoffzellen in jeder der zumindest zwei Stufen in einer parallelen Anordnung angeordnet ist und die Stufen in einer seriellen Anordnung angeordnet sind, wobei eine erste Stufe eine erste Vielzahl von Brennstoffzellen aufweist und eine zweite Stufe eine zweite Vielzahl von Brennstoffzellen aufweist, wobei die erste Vielzahl von Brennstoffzellen eine größere Anzahl von Brennstoffzellen als die zweite Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst; einem Anodengaseinlassverteiler in Verbindung mit der ersten Stufe; zumindest einem Einlass/Austragsverteiler für Anodengas, wobei der Einlass/Austragsverteiler für Anodengas ermöglicht, dass Anodenabgas die erste Stufe verlassen kann, und ermöglicht, dass das Anodenabgas in die zweite Stufe eintreten kann; und einem Anodengasaustragsverteiler in Verbindung mit der zweiten Stufe
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Kathodengaseinlassverteiler in Verbindung mit der zweiten Stufe, zumindest einen Kathodengaseinlass/austragsverteiler, wobei der Kathodengaseinlass/austragsverteiler ermöglicht, dass ein Kathodenabgas die zweite Stufe verlassen kann, und ermöglicht, dass das Kathodenabgas in die erste Stufe eintreten kann, und einen Kathodengasaustragsverteiler in Verbindung mit der ersten Stufe, wobei die Anodengaseinlass-, die Anodengaseinlass/austrags- und die Anodengasaustragsverteiler derart positioniert sind, dass ein Anodengas in einer ersten Richtung durch die zumindest zwei Stufen strömt, und die Kathodengaseinlass-, die Kathodengaseinlass/austrags- und die Kathodengasaustragsverteiler derart positioniert sind, dass ein Kathodengas in einer Richtung strömt, die der ersten Richtung allgemein entgegengesetzt ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die entgegengesetzten Strömungsrichtungen der Anodengase bewirken, dass die Gase durch Mitnahme von Wasser von einer Kathodengasseite der Membranelektrodenanordnung durch die Membranelektrodenanordnung hindurch befeuchtet werden.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die entgegengesetzten Strömungsrichtungen der Kathodengase bewirken, dass die Gase durch Mitnahme von Wasser von der Anodengasseite der Membranelektrodenanordnung durch die Membranelektrodenanordnung hindurch befeuchtet werden.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodengaseinlassverteiler in Verbindung mit einem Anodengaseinlassventil steht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodengasaustragsverteiler in Verbindung mit einem Anodengasaustragsventil steht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodengaseinlassverteiler in Verbindung mit einem Kathodengaseinlassventil steht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch zumindest zwei Kathodengaseinlassverteiler und zumindest zwei Kathodengaseinlassventile, wobei ein zweiter Kathodengaseinlassverteiler in Verbindung mit der ersten Stufe steht und ein zweites Kathodengaseinlassventil in Verbindung mit dem zweiten Kathodengaseinlassverteiler steht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Stufen mit einem separaten Kathodengaseinlassverteiler in Verbindung steht, wobei jeder der separaten Kathodengaseinlassverteiler in Verbindung mit einem separaten Kathodengaseinlassventil steht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodengasaustragsverteiler in Verbindung mit einem Kathodengasaustragsventil steht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Stufe, die weniger Brennstoffzellen als die erste Stufe besitzt, als ein Abzweigstapel verwendet wird, um Energie mit niedriger Spannung zu liefern.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem zumindest drei Stufen umfasst, die dritte Stufe eine dritte Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst, die Anzahl der ersten Vielzahl von Brennstoffzellen größer als die der dritten Vielzahl von Brennstoffzellen ist, die Anzahl der zweiten Vielzahl von Brennstoffzellen niedriger als die der dritten Vielzahl von Brennstoffzellen ist, die dritte Stufe zwischen der ersten Stufe und der zweiten Stufe angeordnet ist, die erste Stufe in Verbindung mit der dritten Stufe durch einen ersten Anodengaseinlass/austragsverteiler steht und die zweite Stufe in Verbindung mit der dritten Stufe durch einen zweiten Anodengaseinlass/austragsverteiler steht.
Brennstoffzellensystem mit: einer Vielzahl von Brennstoffzellen, wobei jede der Brennstoffzellen eine Membranelektrodenanordnung, eine Anodenkatalysatorschicht auf einer ersten Seite der Membranelektrodenanordnung und eine Kathodenkatalysatorschicht auf einer zweiten Seite der Membranelektrodenanordnung umfasst, wobei die Vielzahl von Brennstoffzellen eine erste Stufe und eine Endstufe umfasst, wobei die Vielzahl von Zellen in der ersten Stufe und der Endstufe in einer parallelen Anordnung angeordnet sind und die Stufen in einer seriellen Anordnung angeordnet sind, wobei die erste Stufe eine erste Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst und die Endstufe eine zweite Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst, wobei die Anzahl der ersten Vielzahl von Brennstoffzellen größer als die der zweiten Vielzahl von Brennstoffzellen ist; einem Anodengaseinlassverteiler in Verbindung mit der ersten Stufe; zumindest einem Anodengaseinlass/austragsverteiler, der eine Verbindung zwischen Anodengasen in der ersten Stufe und Anodengasen in der Endstufe vorsieht; und einem Anodengasaustragsverteiler in Verbindung mit der Endstufe.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen Kathodengaseinlassverteiler in Verbindung mit der Endstufe, zumindest einem Kathodengaseinlass/austragsverteiler, der eine Verbindung zwischen Kathodengasen in der ersten Stufe und Kathodengasen in der Endstufe vorsieht, und einen Kathodengasaustragsverteiler in Verbindung mit der ersten Stufe, wobei die Brennstoffzellen derart ausgebildet sind, dass ein Anodengas in einer ersten Richtung durch die erste Stufe und die Endstufe strömt und ein Kathodengas in einer Richtung strömt, das der ersten Richtung allgemein entgegengesetzt ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die entgegengesetzten Strömungsrichtungen der Anodengase bewirken, dass die Anodengase durch Mitnahme von Wasser von der Ka thodengasseite der Membranelektrodenanordnung durch die Membranelektrodenanordnung hindurch befeuchtet werden.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die entgegengesetzten Strömungsrichtungen der Kathodengase bewirken, dass die Kathodengase durch Mitnahme von Wasser von der Anodengasseite der Membranelektrodenanordnung durch die Membranelektrodenanordnung hindurch befeuchtet werden.
Brennstoffzelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodengaseinlassverteiler in Verbindung mit einem Anodengaseinlassventil steht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodengasaustragsverteiler in Verbindung mit einem Anodengasaustragsventil steht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodengaseinlassverteiler in Verbindung mit einem Kathodengaseinlassventil steht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe in Verbindung mit einem zweiten Kathodeneinlassverteiler steht, der ein zweites Kathodengaseinlassventil in Verbindung damit aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodengasaustragsverteiler in Verbindung mit einem Kathodengasaustragsventil steht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Stufe, die weniger Brennstoffzellen als die erste Stufe besitzt, als ein Abzweigstapel verwendet wird, um Energie mit niedriger Spannung zu liefern.
Brennstoffzellensystem mit: einer Vielzahl von Brennstoffzellen, wobei jede der Brennstoffzellen eine Membranelektrodenanordnung, eine Anodenkatalysatorschicht auf einer ersten Seite der Membranelektrodenanordnung und eine Kathodenkatalysatorschicht auf einer zweiten Seite der Membranelektrodenanordnung umfasst, wobei die Vielzahl von Brennstoffzellen eine erste Stufe und eine zweite Stufe besitzt, wobei die Vielzahl von Zellen in den ersten und zweiten Stufen in einer parallelen Anordnung angeordnet sind und die ersten und zweiten Stufen in einer seriellen Anordnung angeordnet sind, wobei die erste Stufe eine erste Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst und die zweite Stufe eine zweite Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst, wobei eine Anzahl der ersten Vielzahl von Brennstoffzellen größer als die der zweiten Vielzahl von Brennstoffzellen ist, wobei die ersten und zweiten Stufen in Fluidverbindung durch zumindest einen Verteiler stehen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen derart ausgebildet sind, dass ein Anodengas in einer ersten Richtung durch die ersten und zweiten Stufen strömt und ein Kathodengas in einer Richtung strömt, die der ersten Richtung allgemein entgegengesetzt ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die entgegengesetzten Strömungsrichtungen der Anodengase bewirken, dass die Anodengase durch Mitnahme von Wasser von der Kathodengasseite der Membranelektrodenanordnung durch die Membranelektrodenanordnung hindurch befeuchtet werden.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die entgegengesetzten Strömungsrichtungen der Kathodengase bewirken, dass die Kathodengase durch Mitnahme von Wasser von der Anodengasseite der Membranelektrodenanordnung durch die Membranelektrodenanordnung hindurch befeuchtet werden.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe in Verbindung mit einem ersten Kathodengaseinlassverteiler steht, der ein erstes Kathodengaseinlassventil in Verbindung damit aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stufe in Verbindung mit einem zweiten Kathodengaseinlassverteiler steht, der ein zweites Kathodengaseinlassventil in Verbindung damit aufweist.