DE102006047916A1 - Kompakte Konstruktion zum Wechseln einer Anodenströmung für kleine Brennstoffzellenfahrzeuge - Google Patents
Kompakte Konstruktion zum Wechseln einer Anodenströmung für kleine Brennstoffzellenfahrzeuge Download PDFInfo
- Publication number
- DE102006047916A1 DE102006047916A1 DE102006047916A DE102006047916A DE102006047916A1 DE 102006047916 A1 DE102006047916 A1 DE 102006047916A1 DE 102006047916 A DE102006047916 A DE 102006047916A DE 102006047916 A DE102006047916 A DE 102006047916A DE 102006047916 A1 DE102006047916 A1 DE 102006047916A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- anode
- hydrogen
- input line
- fuel cell
- anode inlet
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
- H01M8/04268—Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
- H01M8/04231—Purging of the reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
- H01M8/04328—Temperature; Ambient temperature of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
- H01M8/04388—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04746—Pressure; Flow
- H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
- H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Fuzzy Systems (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Es ist eine Anodeneinlasseinheit für einen aufgeteilten Brennstoffzellenstapel oder zwei Brennstoffzellenstapel, die zwei Anodeneinlässe besitzen, offenbart. Die Anodeneinlasseinheit besitzt eine besondere Anwendung auf ein kleines Fahrzeug, das wenig Energie erfordert. Bei einer Ausführungsform umfasst die Anodeneinlasseinheit nur drei Injektoren. Zwei der Injektoren sehen eine Strömungssteuerung für das Wasserstoffgas zu den beiden Anodeneinlässen vor, um das gewünschte Reduzierungsverhältnis vorzusehen. Bei einer aufgeteilten Stapelkonstruktion können die beiden Injektoren einen Strömungswechsel vorsehen, bei dem das Einspritzen von Wasserstoffgas in die Unterstapel abgewechselt wird. Der andere Injektor spritzt eine kleine Menge an Wasserstoff in die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels beim Systemstart ein, um die Betriebstemperatur des Systems schnell zu erhöhen. Zusätzlich können zwei Ventile in der Einheit vorgesehen sein, die eine Luftströmung aufnehmen, um die Anodenseite des Stapels beim Abschalten des Systems zu spülen.
Description
- Diese Erfindung betrifft allgemein eine Anodeneinlasseinheit für ein Brennstoffzellensystem und insbesondere eine Anodeneinlasseinheit für Brennstoffzellensysteme, die einen kleinen Brennstoffzellenstapel für ein kleines Fahrzeug aufweisen, wobei die Anodeneinlasseinheit drei Injektoren und zwei Spülventile verwendet.
- Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit dient dazu, das Fahrzeug zu betreiben.
- Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Für den oben erwähnten Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel kann der Stapel zweihundert oder mehr Zellen umfassen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodenreaktandengas auf, typischerweise eine Strömung aus Luft, die durch den Stapel über einen Kompressor gedrängt wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenproduktumfassen kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffreaktandengas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
- Typischerweise werden Strömungssteuerdruckregler in Brennstoffzellensystemen an verschiedenen Orten verwendet, um einen gewünschten Gasdurchfluss vorzusehen. Beispielsweise werden Strömungssteuerdruckregler typischerweise an dem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels verwendet, um eine gewünschte Druckverringerung und einen gewünschten Wasserstoffgasdurchfluss für Wasserstoffgas von einem Wasserstoffdruckspeichertank oder einer anderen Wasserstoffspeichervorrichtung vorzusehen.
- Gewöhnlich sehen solenoidgesteuerte Ventile oder Injektoren eine Druckregulierung wie auch Strömungssteuerung in einem Brennstoffzellensystem vor. Ein Injektor ist ein 2/2-Wege-Ventil, das zwischen einer vollständig geöffneten und einer vollständig geschlossenen Position mit einer bestimmten Frequenz bzw. Häufigkeit und einem bestimmten Schaltverhältnis schaltet. Die Frequenz bestimmt die Zeitdauer jedes Schaltzyklus des Injektors, und das Schaltverhältnis bestimmt, wie lange der Injektor pro Zyklus offen und geschlossen ist, wobei das Verhältnis der Zeitdauer zwischen der offenen und geschlossenen Position des Injektors sein Schaltverhältnis ist. Ein Injektor kann mit einer konstanten Frequenz betrieben werden. Jedoch kann es für niedrige Schaltverhältnisse erstrebenswert sein, die Frequenz zu vermindern, da niedrige Schaltverhältnisse bei niedrigen Frequenzen genauer eingestellt werden können, um das Reduzierungsverhältnis (engl.: "turn-down ratio") des Injektors zu erhö hen, wobei das Reduzierungsverhältnis das Verhältnis des Drucks an dem Einlass des Ventils zu dem Druck an dem Auslass des Ventils ist.
- Typischerweise sind Proportionalventile für den Anodeneinlass zu einem Brennstoffzellensystem nicht gut geeignet, da sie eine Hysterese besitzen, die den Betrieb des Brennstoffzellensystems dadurch beeinträchtigt, dass eine Regulierung des Druck wie auch des Durchflusses schwieriger wird. Auch besitzen Proportionalventile ein niedriges Reduzierungsverhältnis (1:10). Injektoren sind gewöhnlich geeigneter, da sie typischerweise ein großes Reduzierungsverhältnis (1:20) und keine Hysterese besitzen. In einem Injektor ist der Durchfluss proportional zu dem Schaltverhältnis des Injektors. Die Öffnungsfrequenz des Injektors kann so gewählt sein, dass das gewünschte Reduzierungsverhältnis vorgesehen wird, wobei geringe Frequenzen typischerweise für kleine Durchsätze und hohe Reduzierungsverhältnisse erforderlich sind.
- Typischerweise sind die verschiedenen Strömungssteuerventile und Injektoren für die Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels Teil einer Anodeneinlasseinheit (AIU), die die Wasserstoffgasströmung zu der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels steuert. Es wird typischerweise angestrebt, die Anodeneinlasseinheit so klein, leicht und kostengünstig wie möglich zu machen, insbesondere für kleine Fahrzeuge, die kurze Stapel verwenden können. Daher kann es erstrebenswert sein, die Anzahl von Ventilen, Rohren, Schläuchen, Halterungen, Anschlussstücken, etc. in der Anodeneinlasseinheit zu reduzieren.
- Erfindungsgemäß ist eine Anodeneinlasseinheit für einen aufgeteilten Brennstoffzellenstapel oder zwei Brennstoffzellenstapel, die zwei Anodeneinlässe besitzen, offenbart. Die Anodeneinlasseinheit besitzt besondere Anwendung auf ein kleines Fahrzeug, das wenig Leistung erfordert. Bei einer Ausführungsform umfasst die Anodeneinlasseinheit nur drei Injektoren oder Strömungsregelventile. Zwei der Injektoren oder Strömungsregelventile sehen eine Strömungssteuerung für das Wasserstoffgas an den beiden Anodeneinlässen mit dem gewünschten Reduzierungsverhältnis vor. Für eine Konstruktion mit aufgeteiltem Stapel können die beiden Injektoren einen Strömungswechsel vorsehen, bei dem die Injektion von Wasserstoffgas in die Unterstapel abgewechselt wird. Der andere Injektor oder das andere Strömungsregelventil spritzt eine kleine Menge an Wasserstoff in die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels beim Systemstart ein, um die Betriebstemperatur des Systems schnell zu erhöhen. Zwei weitere Ventile können in der Einheit vorgesehen sein, um eine Strömung von Luft an die Anodenseite des Stapels zu lenken, wenn kein Wasserstoff strömt, um beispielsweise beim Abschalten des Systems die Anode zu spülen.
- Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
-
1 ein Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems mit einer Anodeneinlasseinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und -
2 ein schematisches Schaubild der in1 gezeigten Anodeneinlasseinheit ist. - Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf eine Anodeneinlasseinheit für ein Brennstoffzellensystem gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken. Beispielsweise besitzt die Anodeneinlasseinheit der Erfindung besondere Anwendung auf ein kleines Fahrzeug, das einen kleinen aufgeteilten Brennstoffzellenstapel oder zwei kleine Brennstoffzellenstapel besitzt. Jedoch kann, wie für Fachleute angemerkt sei, die Anodeneinlasseinheit der Erfindung auch Anwendung auf andere Brennstoffzellensysteme haben.
-
1 ist ein Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems10 mit einem Brennstoffzellenstapel12 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Anodeneinlasseinheit (AIU)14 , die nachfolgend detailliert beschrieben ist, steuert den Druck und den Durchfluss des Wasserstoffgases von einem Druckwasserstoffspeichertank16 oder einer anderen geeigneten Speichervorrichtung an den Anodeneingang des Brennstoffzellenstapels12 . Eine Systemsteuereinheit18 steuert die Anodeneinlasseinheit14 und andere Systemkomponenten, wie es mit der Beschreibung hier konsistent ist. Bei dieser Ausführungsform steuert die Systemsteuereinheit18 mehr als die Anodeneinlasseinheit14 . Jedoch kann eine separate Steuereinheit (nicht gezeigt) in der Anodeneinlasseinheit14 erforderlich sein, um die verschiedenen Ventile und anderen Komponenten in der Anodeneinlasseinheit14 zu steuern, wie nachfolgend beschrieben ist. -
2 ist ein schematisches Schaubild der Anodeneinlasseinheit14 . Wasserstoffgas von dem Wasserstoffspeichertank16 wird an die Anodeneinlasseinheit14 auf Leitung22 vorgesehen. Ein optionaler Druckwandler24 misst den Druck des Wasserstoffgases in der Leitung22 , und ein optionaler Temperatursensor26 misst die Temperatur des Wasserstoffgases in der Leitung22 . Bei bestimmten Brennstoffzellensystemkonstruktionen können der Druckwandler24 und der Temperatursensor26 für einen vernünftigen Systembetrieb erforderlich sein. Jedoch müssen bei anderen Konstruktionen der Druckwandler24 und der Temperatursensor26 nicht erforderlich sein und können daher von der Anodeneinlasseinheit14 weggelassen werden, was weiter Raum, Gewicht und Kosten spart. - Bei dieser Ausführungsform ist der Brennstoffzellenstapel
12 ein aufgeteilter Stapel, wie für Fachleute gut bekannt ist, der zwei Anodeneingänge umfasst. Insbesondere speist die Anodeneinlassleitung22 eine erste Anodeneingangsleitung30 und eine zweite Anodeneingangsleitung32 , wobei die Leitung30 das Wasserstoffgas an einen Anodeneingang für einen Unterstapel des aufgeteilten Stapels12 liefert und die Leitung32 das Wasserstoffgas an einen Anodeneingang für einen anderen Unterstapel des aufgeteilten Stapels12 liefert. Wie es in der Technik bekannt ist, werden aufgeteilte Stapel manchmal verwendet, da es schwierig ist, eine gleiche Strömung von Wasserstoffgas parallel durch die verschiedenen Brennstoffzellen, die in dem Stapel erforderlich sein können, effektiv vorzusehen. Ferner ist es in der Technik auch bekannt, einen Anodengasströmungswechsel vorzusehen, bei dem die Richtung der Anodengasströmung durch den Stapel12 periodisch umgekehrt wird, beispielsweise alle fünf Sekunden, so dass der Austrocknungseffekt der Membran, der durch die trockene Wasserstoffgasströmung an dem Anodeneinlass bewirkt wird, nicht kontinuierlich an einem Ende des Stapels12 auftritt. Ferner wird durch Bereitstellen des Strömungswechsels das von dem Stapel erzeugte Wasser besser dazu verwendet, eine Befeuchtung der Membran vorzusehen. - In der Anodeneingangsleitung
30 ist ein Injektor34 vorgesehen, und in der Anodeneingangsleitung32 ist ein Injektor36 vorgesehen, um den Durchfluss des Wasserstoffgases zu den beiden Anodeneinlässen zu steuern. Die Injektoren34 und36 können beliebige geeignete Injektoren für die hier beschriebenen Zwecke sein, die das gewünschte Reduzierungsverhältnis bei dem richtigen Druck vorsehen. Die Systemsteuereinheit18 oder die AIU-Steuereinheit steuert den Betrieb der Injektoren34 und36 , so dass sie in der richtigen Abfolge betrieben werden, um das Wasserstoff gas in die beiden Anodeneinlässe des Brennstoffzellenstapels12 auf die gewünschte Art und Weise einzuspritzen. Bei dieser Ausführungsform ist das Brennstoffzellensystem10 kleiner als andere Brennstoffzellensysteme, da die Energiemenge, die erforderlich ist, geringer ist, und somit nur ein einzelner Injektor erforderlich ist, um den gewünschten Durchfluss von Wasserstoff und das gewünschte Reduzierungsverhältnis für die Anode des Stapels12 vorzusehen. Insbesondere ist weniger Wasserstoff für ein Brennstoffzellensystem in einem kleinen Fahrzeug erforderlich, um die gewünschte Leistung vorzusehen. Größere Brennstoffzellensysteme sind für größere Fahrzeuge erforderlich, die mehr Injektoren erfordern können, um das Reduzierungsverhältnis, das notwendig ist, vorzusehen. - Bei bestimmten Brennstoffzellensystemausgestaltungen wird eine kleine Menge an Wasserstoffgas in die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels
12 bei Kaltstarts eingeführt, wobei das Wasserstoffgas mit der Luft an der Kathodenseite reagiert, um Wärme zu erzeugen, so dass die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels12 schneller auf eine gewünschte Betriebstemperatur erhöht werden kann. Um dieses Einspritzen von Wasserstoffgas in die Kathodenseite vorzusehen, umfasst die Anodeneinlasseinheit14 einen geeigneten Injektor38 , der die Strömung von Wasserstoffgas auf einer Leitung40 , die von der Wasserstoffeingangsleitung22 abgeteilt ist, steuert. Der Injektor38 wird von der Systemsteuereinheit18 so gesteuert, dass beim Start Wasserstoffgas auf der Leitung40 vorgesehen werden kann. Die Leitung40 ist mit dem Kathodeneingang des Brennstoffzellenstapels12 auf Leitung42 gekoppelt. - Ferner kann es beim Abschalten des Systems bei einigen Konstruktionen von Brennstoffzellensystemen erstrebenswert sein, die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels
12 zu spülen und damit das verbleibende Wasserstoffgas und Wasser in den Strömungskanälen der Anodenseite des Sta pels12 zu entfernen. Das Entfernen von Wasserstoffgas von der Anodenseite beim Abschalten des Systems besitzt bestimmte Vorteile, und das Entfernen des Wassers in den Strömungskanälen verhindert ein Gefrieren desselben in dem Stapel12 in Niedertemperaturumgebungen. Es kann ein erstes Ventil46 , wie ein 2/2-Wege-Ventil, in einer Leitung48 vorgesehen sein, die mit den Leitungen30 und40 gekoppelt ist, so dass Luft selektiv in die Leitung30 geführt werden kann, um den ersten Anodeneinlass zu dem Stapel12 zu spülen, wenn die Strömung von Wasserstoff an die Anodenseite des Stapels12 abgeschaltet ist. Ein zweites Ventil50 kann in einer Leitung52 vorgesehen sein, die mit den Leitungen32 und40 gekoppelt ist, so dass Luft selektiv in die Leitung32 geführt werden kann, um den zweiten Anodeneinlass zu dem Stapel12 zu spülen, wenn die Strömung von Wasserstoff an die Anodenseite des Stapels12 abgeschaltet ist. Die Spülventile46 und50 müssen keine Injektoren sein, sondern können Proportionalventile sein, die ein geringeres Reduzierungsverhältnis besitzen und bei niedrigeren Strömungsdrücken als Injektoren arbeiten. Beim Abschalten des Systems schließt die Systemsteuereinheit18 die Ventile34 ,36 und38 und kann die Ventile46 und50 öffnen, um zu ermöglichen, dass Luft von dem Kompressor (nicht gezeigt) in die Anodeneinlässe durch die Leitungen30 und32 eintreten kann, so dass die Leitung42 zu jeder Zeit nur zu einem Zweck verwendet wird. - Die Konstruktion der Anodeneinlasseinheit
14 sieht eine Integration von Komponenten für ein kleines Brennstoffzellenfahrzeug vor, die Einbauraum, Gewicht, Kosten und Montageanforderungen verringert. - Zusammengefasst ist eine Anodeneinlasseinheit für einen aufgeteilten Brennstoffzellenstapel oder zwei Brennstoffzellenstapel, die zwei Anodeneinlässe besitzen, offenbart. Die Anodeneinlasseinheit besitzt besondere Anwendung auf ein kleines Fahrzeug, das wenig Energie erfordert. Bei einer Ausführungsform umfasst die Anodeneinlasseinheit nur drei Injektoren. Zwei der Injektoren sehen eine Strömungssteuerung für das Wasserstoffgas zu den beiden Anodeneinlässen vor, um das gewünschte Reduzierungsverhältnis vorzusehen. Bei einer aufgeteilten Stapelkonstruktion können die beiden Injektoren einen Strömungswechsel vorsehen, bei dem das Einspritzen von Wasserstoffgas in die Unterstapel abgewechselt wird. Der andere Injektor spritzt eine kleine Menge an Wasserstoff in die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels beim Systemstart ein, um die Betriebstemperatur des Systems schnell zu erhöhen. Zusätzlich können zwei Ventile in der Einheit vorgesehen sein, die eine Luftströmung aufnehmen, um die Anodenseite des Stapels beim Abschalten des Systems zu spülen.
Claims (16)
- Anodeneinlasseinheit für ein Brennstoffzellensystem, wobei die Anodeneinlasseinheit umfasst: eine Wasserstoffgasquelle; eine Wasserstoffeingangsleitung, die auf Wasserstoffgas von der Quelle anspricht; eine erste Anodeneingangsleitung, die mit der Wasserstoffeingangsleitung gekoppelt ist; eine zweite Anodeneingangsleitung, die mit der Wasserstoffeingangsleitung gekoppelt ist; ein erstes Ventil, das in der ersten Anodeneingangsleitung vorgesehen ist; ein zweites Ventil, das in der zweiten Anodeneingangsleitung vorgesehen ist; eine Kathodeneingangsleitung, die mit der Wasserstoffeingangsleitung gekoppelt ist; ein drittes Ventil, das in der Kathodeneingangsleitung vorgesehen ist; eine erste Spülleitung, die mit der Kathodeneingangsleitung und der ersten Anodeneingangsleitung gekoppelt ist; ein zweites Spülventil, das mit der Kathodeneingangsleitung und der zweiten Anodeneingangsleitung gekoppelt ist; ein viertes Ventil, das in der ersten Spülleitung positioniert ist; ein fünftes Ventil, das in der zweiten Spülleitung positioniert ist; und eine Steuereinheit zur Steuerung des ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Ventils, wobei die Steuereinheit das erste und zweite Ventil selektiv öffnet und schließt, um das Wasserstoffgas an die erste und zweite Anodeneingangsleitung vorzusehen, das dritte Ventil selektiv öffnet und schließt, um das Wasserstoffgas an einen Kathodeneingang vorzusehen, und das vierte und fünfte Ventil selektiv öffnet und schließt, um Luft an die erste und zweite Anodeneingangsleitung vorzusehen.
- Anodeneinlasseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Anodeneingangsleitung Anodeneinlassleitungen für einen aufgeteilten Brennstoffzellenstapel sind.
- Anodeneinlasseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Anodeneingangsleitung Anodeneinlassleitungen für separate Brennstoffzellenstapel sind.
- Anodeneinlasseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, zweite und dritte Ventil Injektoren sind, die von der Steuereinheit sequentiell gesteuert werden, um einen Wasserstoffdurchfluss zu dem Stapel zu erhöhen oder zu verringern.
- Anodeneinlasseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte und fünfte Ventil elektrisch gesteuerte Spülventile sind.
- Anodeneinlasseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckwandler vorgesehen ist, der in der Wasserstoffeingangsleitung positioniert ist, um den Druck des Wasserstoffgases in der Wasserstoffeingangsleitung zu messen.
- Anodeneinlasseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor vorgesehen ist, der in der Wasserstoffeingangsleitung positioniert ist, um die Temperatur des Wasserstoffgases in der Wasserstoffeingangsleitung zu messen.
- Anodeneinlasseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Brennstoffzellensystem an einem kleinen Fahrzeug befindet.
- Anodeneinlasseinheit für ein Brennstoffzellensystem, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodeneinlasseinheit nur drei Injektoren umfasst, wobei ein erster und zweiter Injektor eine gesteuerte Strömung aus Wasserstoff an eine erste und zweite Anodeneingangsleitung eines Brennstoffzellenstapels lenken und ein dritter Injektor eine Strömung von Wasserstoff an eine Kathodeneingangsleitung des Brennstoffzellenstapels oder andere Komponenten in dem Brennstoffzellensystem lenkt.
- Anodeneinlasseinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel ein aufgeteilter Stapel ist und die erste und zweite Anodeneingangsleitung Anodeneingangsleitungen für den aufgeteilten Brennstoffzellenstapel sind.
- Anodeneinlasseinheit nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Brennstoffzellensystem an einem kleinen Fahrzeug befindet.
- Brennstoffzellensystem für ein relativ kleines Fahrzeug, wobei das System umfasst: eine Wasserstoffgasquelle; einen aufgeteilten Brennstoffzellenstapel, der einen ersten Anodeneinlass, einen zweiten Anodeneinlass und einen Kathodeneinlass umfasst; eine Wasserstoffeingangsleitung, die Wasserstoffgas von der Quelle aufnimmt; ein erstes Ventil zur Steuerung der Strömung des Wasserstoffgases von der Wasserstoffeingangsleitung zu dem ersten Anodeneinlass; ein zweites Ventil zur Steuerung der Strömung von Wasserstoffgas von der Wasserstoffeingangsleitung zu dem zweiten Anodeneinlass; ein drittes Ventil zur Steuerung einer Wasserstoffgasströmung von der Wasserstoffeingangsleitung zu dem Kathodeneingang während des Systemstarts; ein viertes Ventil zur Steuerung einer Luftströmung an den ersten Anodeneinlass bei einer Abschaltung des Systems; und ein fünftes Ventil zum Steuern einer Luftströmung an den zweiten Anodeneinlass bei einer Abschaltung des Systems.
- System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, zweite und dritte Ventil Injektoren sind, die sequentiell gesteuert werden, um einen Wasserstoffdurchfluss zu dem Stapel zu erhöhen oder zu verringern.
- System nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte und fünfte Ventil elektrisch gesteuerte Ventile sind, die auf eine Eingangsluftströmung zum Spülen einer Anodenseite des Stapels ansprechen.
- System nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckwandler vorgesehen ist, der in der Wasserstoffeingangsleitung positioniert ist, um den Druck des Wasserstoffgases in der Wasserstoffeingangsleitung zu messen.
- Anodeneinlasseinheit nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor vorgesehen ist, der in der Wasserstoffeingangsleitung positioniert ist, um die Temperatur des Wasserstoffgases in der Wasserstoffeingangsleitung zu messen.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US11/248,505 US7718287B2 (en) | 2005-10-12 | 2005-10-12 | Compact anode flow shift design for small fuel cell vehicles |
US11/248,505 | 2005-10-12 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102006047916A1 true DE102006047916A1 (de) | 2007-04-19 |
DE102006047916B4 DE102006047916B4 (de) | 2021-09-23 |
Family
ID=37896635
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102006047916.5A Expired - Fee Related DE102006047916B4 (de) | 2005-10-12 | 2006-10-10 | Kompakte Konstruktion zum Wechseln einer Anodenströmung für kleine Brennstoffzellenfahrzeuge |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US7718287B2 (de) |
DE (1) | DE102006047916B4 (de) |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4780390B2 (ja) * | 2005-12-15 | 2011-09-28 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム及び移動体 |
JP4655082B2 (ja) * | 2007-11-16 | 2011-03-23 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム |
US8088529B2 (en) * | 2008-10-31 | 2012-01-03 | GM Global Technology Operations LLC | Remedial action to operate a fuel cell system with a failed bleed manifold unit |
ITMI20091355A1 (it) | 2009-07-29 | 2011-01-30 | Bosch Gmbh Robert | Impianto di alimentazione carburante ad un motore a combustione interna |
KR101282685B1 (ko) | 2010-12-03 | 2013-07-05 | 현대자동차주식회사 | 차량용 연료전지 시스템의 연료 제어 장치 및 방법 |
US11035628B2 (en) | 2018-05-30 | 2021-06-15 | Fuelcell Energy, Inc. | System for fast draining of an airfan heat exchanger and methods of using the same |
CN113921864B (zh) * | 2021-12-09 | 2022-06-07 | 国家电投集团氢能科技发展有限公司 | 一种燃料电池的供氢调控系统和调控方法 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20060078768A1 (en) * | 2004-10-07 | 2006-04-13 | Rainer Pechtold | Anode inlet unit for a fuel cell system |
-
2005
- 2005-10-12 US US11/248,505 patent/US7718287B2/en not_active Expired - Fee Related
-
2006
- 2006-10-10 DE DE102006047916.5A patent/DE102006047916B4/de not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US7718287B2 (en) | 2010-05-18 |
US20070082243A1 (en) | 2007-04-12 |
DE102006047916B4 (de) | 2021-09-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE112008000547B4 (de) | Brennstoffzellensystem | |
DE102007026330B4 (de) | Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Begrenzen der Wasserstoffkonzentration im gemischten Abgas eines Brennstoffzellenstapels | |
DE102007037304B4 (de) | Brennstoffzellensystem mit verminderter Korrosionsneigung während des Abschaltens sowie Verwendung des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug | |
DE102006046104B4 (de) | Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Ablassen von Stickstoff | |
DE102006047916B4 (de) | Kompakte Konstruktion zum Wechseln einer Anodenströmung für kleine Brennstoffzellenfahrzeuge | |
DE102007004590A1 (de) | Gasversorgungsanordnung in einer Brennstoffzellenvorrichtung | |
DE112004000822B4 (de) | Brennstoffzellensystem zur Befeuchtung eines Brennstoffzellenstapels | |
DE102007026332B4 (de) | Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Kathodenübergangsfeuchtesteuerung in einem Brennstoffzellensystem | |
DE102006019114A1 (de) | Brennstoffzellenbetriebsverfahren zur verbesserten Wasserstoff- und Sauerstoffverwendung | |
DE102005047972B4 (de) | Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Steuerung der Wasserstoffzufuhr zu einem Brennstoffzellenstapel | |
DE112019004936T5 (de) | Brennstoffzuführungsvorrichtung | |
DE102005006357B4 (de) | Brennstoffzellenanlage mit einem Druckreduzierventil | |
EP3665736A1 (de) | Brennstoffzellensystem mit einer dem verdichter zugeordneten mitteldruckentnahme sowie verwendung eines derartigen brennstoffzellensystems | |
DE102009050934A1 (de) | Verfahren für Abhilfemassnahmen in dem Fall des Ausfalls eines Kompressorbypassventils in einem Brennstoffzellensystem | |
EP3994294A1 (de) | Soec-system und verfahren zum betreiben eines soec-systems | |
DE102008052461A1 (de) | Verfahren zur Verbesserung der Zuverlässigkeit eines Brennstoffzellenstapels nach einem Endzellenheizerausfall | |
DE102006042037B4 (de) | Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems | |
DE102009004532A1 (de) | Bipolarplattenkonstruktion für passive Niedriglaststabilität | |
DE102016200612A1 (de) | Heiz- und Kühlsystem für einen Brennstoffzellenstapel, hydraulische Weiche für ein solches sowie Verfahren zum Betrieb desselben | |
DE102005006355A1 (de) | Brennstoffzellenanlage mit einer Dosiereinheit | |
DE102008046243A1 (de) | Implementierung eines nichtflüchtigen Speichers einer Motorcontrollereinheit zur Messung der Zeitdauer eines Brennstoffzellensystems in einem Abschalt- oder Bereitschaftzustand | |
DE102021108601A1 (de) | Wasserstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennstoffzelle mit passiver Rezirkulation | |
DE102014103200B4 (de) | Vorrichtung für ein brennstoffzellensystem sowie brennstoffzellensystem | |
DE102008004702B4 (de) | Spülventil für Brennstoffzellenstapel, Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Spülen der Anodenseiten von Brennstoffzellenteilstapeln | |
DE10324386B4 (de) | Brennstoffzellensystem |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8180 | Miscellaneous part 1 |
Free format text: PFANDRECHT |
|
8180 | Miscellaneous part 1 |
Free format text: PFANDRECHT AUFGEHOBEN |
|
8180 | Miscellaneous part 1 |
Free format text: PFANDRECHT |
|
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: GM GLOBAL TECHNOLOGY OPERATIONS LLC , ( N. D. , US |
|
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: GM GLOBAL TECHNOLOGY OPERATIONS LLC (N. D. GES, US Free format text: FORMER OWNER: GM GLOBAL TECHNOLOGY OPERATIONS, INC., DETROIT, MICH., US Effective date: 20110323 |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |