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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Brennstoffzellensysteme und insbesondere ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als eine Energiequelle verwendet worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektrischen Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen vom PEM-Typ wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle geliefert und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen protonendurchlässigen, nicht elektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran, die auf einer ihrer Seiten den Anodenkatalysator und auf der entgegengesetzten Seite den Kathodenkatalysator aufweist. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Elemente angeordnet, die manchmal als die Gasdiffusionsmediumkomponenten bezeichnet werden und die: (1) als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen; (2) geeignete Öffnungen darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren enthalten; (3) Produktwasserdampf oder flüssiges Wasser von der Elektrode an Strömungsfeldkanäle entfernen; (4) zur Wärmeabweisung wärmeleitend sind; und (5) eine mechanische Festigkeit besitzen. Der Begriff ”Brennstoffzelle” wird typischerweise dazu verwendet, abhängig vom Kontext entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen (beispielsweise einen Stapel) zu bezeichnen. Eine Vielzahl einzelner Zellen wird gemeinsam gebündelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, und werden gemeinsam in Reihe angeordnet. Jede Zelle in dem Stapel umfasst die vorher beschriebene MEA, und jede derartige MEA liefert ihr Spannungsinkrement.
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In PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H2) der Anodenreaktand (d. h. Brennstoff), und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d. h. Oxidationsmittel). Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O2) oder als Luft (einer Mischung aus O2 und N2) vorliegen. Die Festpolymerelektrolyte bestehen typischerweise aus Ionentauscherharzen, wie perfluorierter Sulfonsäure. Die Anode/Kathode umfasst typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, die oftmals auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem protonenleitenden Harz gemischt sind. Die katalytischen Partikel sind typischerweise teure Edelmetallpartikel. Diese Membranelektrodenanordnungen sind relativ teuer herzustellen und erfordern für einen effektiven Betrieb bestimmte Bedingungen, die ein richtiges Wassermanagement wie auch eine richtige Befeuchtung sowie eine Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie Kohlenmonoxid (CO), umfassen.
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Beispiele der Technologie in Verbindung mit Brennstoffzellensystemen vom PEM-Typ und anderen damit in Verbindung stehenden Typen können unter Bezugnahme auf die gemeinsam übertragenen U.S. Patente Nrn.
US 3,985,578 A von Witherspoon et al.;
US 5,272,017 A von Swathirajan et al.;
US 5,624,769 A von Li et al.;
US 5,776,624 A von Neutzler;
US 6,103,409 A von DiPierno Bosco et al.;
US 6,277,513 B1 von Swathirajan et al.;
US 6,350,539 B1 von Woods, III et al.;
US 6,372,376 B1 von Fronk et al.;
US 6,376,111 B1 von Mathias et al.;
US 6,521,381 B1 von Vyas et al.;
US 6,524,736 B1 von Sompalli et al.;
US 6,528,191 B1 von Senner;
US 6,566,004 B1 von Fly et al.;
US 6,630,260 B2 von Forte et al.;
US 6,663,994 B1 von Fly et al.;
US 6,740,433 B2 von Senner;
US 6,777,120 B2 von Nelson et al.;
US 6,793,544 B2 von Brady et al.;
US 6,794,068 B2 von Rapaport et al.;
US 6,811,918 B2 von Blunk et al.;
US 6,824,909 B2 von Mathias et al.; U.S. Patentanmeldung Veröffentlichungsnrn. US 2004/0229087 A1 von Senner et al.;
US 2005/0026012 A1 von O'Hara;
US 2005/0026018 A1 von O'Hara et al.; und
US 2005/0026523 A1 von O'Hara et al. gefunden werden.
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Die Membrane von PEM-Brennstoffzellen sollten unter feuchten Bedingungen gehalten werden, um eine hohe Leistung und Haltbarkeit zu erreichen. Daher erfordern Brennstoffzellensysteme beim Betrieb bei erhöhten Temperaturen gewöhnlich eine Befeuchtungsvorrichtung für die Zufuhrgase Luft und/oder Wasserstoff. Es ist gezeigt worden, dass das Brennstoffgas, das an die Anode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, eine Befeuchtung erfordert, um zu verhindern, dass der Brennstoffzellenstapel an dem Brennstoffeinlass austrocknet. Entlang der Innenkanäle des Brennstoffzellenstapels erfolgt eine Zunahme des Wassergehalts, die einen Feuchtegradienten in der Elektrolytmembran und eine inhomogene Leistungsverteilung bewirkt. Die inhomogene Leistungsverteilung könnte in einigen Bereichen zu heißen Stellen und in den anderen Bereichen zu einer übermäßigen Wasseransammlung führen, was wiederum einen negativen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und die Haltbarkeit besitzt. Ferner besitzen Befeuchtungsvorrichtungen verschiedene Nachteile, insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen des Brennstoffzellenstapels, da sie schwer, teuer und manchmal aufgrund des Wassers, das sie enthalten, der Gefahr eines Gefrierens bei niedrigen Umgebungstemperaturen ausgesetzt sind.
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Bisherige Lösungen des Befeuchtungsproblems betrafen Membranbefeuchter und Wasserinjektionsverfahren wie auch eine Feuchtgasrezirkulation, einschließlich denen, die in den U.S. Patenten Nrn.
US 5,478,662 A von Strasser und
US 5,935,726 A von Chow et al. beschrieben sind.
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Rezirkulationsverfahren nutzen den Vorteil der Tatsache, dass Gase an den Brennstoffzellenauslässen mit dem in der Brennstoffzelle erzeugten Wasser befeuchtet sind und zurück an den Brennstoffzelleneinlass geführt werden können, um die Feuchte dorthin zu bringen, ohne dass flüssiges Wasser betroffen ist. Ein Nachteil ist die Notwendigkeit einer Rezirkulationspumpe, der Energieverbrauch der Pumpe wie auch der Feuchtegradient in einem Stapel entlang des Kanals. Ferner ist es beispielsweise aus der
DE 10 2004 008 704 A1 bekannt, mehrere Brennstoffzellenstapel hintereinander in Reihe zu schalten, so dass das Abgas eines Brennstoffzellenstapels in den Einlass des nachfolgenden Stapels geleitet wird.
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Auch ist das Umschalten von oxidierendem Zufuhrgas zwischen Kathodengaseinlässen und -auslässen der Brennstoffzelle vorgeschlagen worden. Der durch dieses System vorgesehene Vorteil ist die bessere Homogenität von Feuchte in der Brennstoffzelle, da das trockene Zufuhrgas in einer und der anderen Richtung in dem Kanal wechselt. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das Zufuhrgas das Oxidationsmittel ist und trocken ist, was zu einer Leistungsverschlechterung an beiden Gaseinlässen führen könnte.
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Demgemäß besteht ein Bedarf nach neuen und verbesserten Gasströmungsrückführsystemen, die eine verbesserte Befeuchtungsverteilung in der Brennstoffzelle vorsehen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen.
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Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der anschließenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung bestimmt sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
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1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit drei Stapeln ist, das ein Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem aufweist, das funktionell der Anodenseite zugeordnet ist, und das gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung betreibbar ist;
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2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit zwei Stapeln ist, das ein Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem aufweist, das funktionell der Anodenseite zugeordnet ist, und das gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung betreibbar ist;
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3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit drei Stapeln ist, das ein Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem aufweist, das funktionell der Kathodenseite zugeordnet ist; und
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4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit zwei Stapeln ist, das ein Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem aufweist, das funktionell der Kathodenseite zugeordnet ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur.
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Mit dem hier verwendeten Begriff ”Fluid” ist jegliches gasförmige und/oder flüssige Material gemeint, wie, jedoch nicht darauf beschränkt, flüssiges Wasser, Wasserdampf und Kombinationen daraus.
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 10 mit drei Stapeln, das ein Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem 12 aufweist, das funktionell der Seite der Stapelanodenströmung 14 zugeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
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Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst drei Brennstoffzellenstapel 16, 18 bzw. 20, die miteinander oder zumindest mit einem benachbarten Brennstoffzellenstapel in Fluidverbindung stehen. Die Brennstoffzellenstapel 16, 18 bzw. 20 bestehen aus einer Anzahl einzelner Brennstoffzellenelemente 22. Die Anzahl von Brennstoffzellenelementen 22 kann unter den Brennstoffzellenstapeln 16, 18 bzw. 20 variiert werden. Es können Leitungen 16a und 18a vorgesehen sein, um eine Fluidverbindung zwischen dem Brennstoffzellenstapel 16/dem Brennstoffzellenstapel 18 bzw. dem Brennstoffzellenstapel 18/dem Brennstoffzellenstapel 20 vorzusehen.
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Der Brennstoffzellenstapel 16 ist mit einem Brennstoffgaseinlass 24 (beispielsweise einem Stapelanodeneinlass) versehen, der dazu dient, eine Menge an Brennstoffgas aufzunehmen, und der Brennstoffzellenstapel 20 ist mit einem Abgasauslass 26 (beispielsweise einem Stapelanodenauslass) versehen, der dazu dient, eine Menge an Abgas auszutragen. Der Brennstoffgaseinlass 24 steht in Fluidverbindung mit einem Strömungsteuerventil 28, das in Fluidverbindung mit dem Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem 12 steht. Das Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem 12 kann eine Befeuchtungs-/Gasrezirkulationsvorrichtung 30 umfassen. Die Befeuchtungs-/Gasrezirkulationsvorrichtung 30 kann eine Pumpe, einen Sektor, einen Injektor (beispielsweise einen Venturi-Injektor) und Kombinationen daraus umfassen.
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Die Befeuchtungs-/Gasrezirkulationsvorrichtung 30 steht in Fluidverbindung mit einer Brennstoffgasspeicher/lieferquelle 32, beispielsweise über Leitung 32a. Anhand eines nicht beschränkenden Beispiels kann das Brennstoffgas aus Wasserstoff bestehen. Ein Abgasauslass 26 steht in Fluidverbindung mit einem Drucksteuerventil 34, beispielsweise über Leitung 34a. Das Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem 12 und insbesondere die Befeuchtungs-/Gasrezirkulationsvorrichtung 30 kann in Fluidverbindung mit entweder dem Abgasauslass 26 und/oder der Leitung 34a beispielsweise über Leitung 30a stehen.
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Da das das Brennstoffzellensystem 10 verlassende Abgas typischerweise einen höheren Feuchtigkeitsgehalt besitzt, als das in das Brennstoffzellensystem 10 eingeführte Brennstoffgas, verwendet die vorliegende Erfindung das Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem 12 und insbesondere die Befeuchtungs-/Gasrezirkulationsvorrichtung 30, um ein Verfahren zum Wiedereinführen des relativ feuchten und/oder dampfförmigen Abgases (beispielsweise von Leitung 30a) zurück in den ersten Brennstoffzellenstapel 16, nachdem es den dritten Brennstoffzellenstapel 20 verlassen hat, vorzusehen. Es sei jedoch angemerkt, dass das Abgas rezirkuliert werden kann, nachdem es entweder den ersten und/oder zweiten Brennstoffzellenstapel 16 bzw. 18 verlassen hat.
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Aufgrund der Tatsache, dass das Abgas den ersten Brennstoffzellenstapel 16 (und anschließende Brennstoffzellenstapel) bei einem Druck verlässt, der geringer als der des eintretenden Brennstoffgases ist, verwendet das Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem 12 und insbesondere die Befeuchtungs-/Gasrezirkulationsvorrichtung 30 eine Vorrichtung, um beide Gasströme (d. h. das Abgas und das Brennstoffgas) zu mischen. Wie vorher beschrieben, kann diese Vorrichtung eine Pumpe, ein Ejektor, ein Injektor oder eine Kombination daraus sein, die dazu dient, den Druck des rezirkulierten Abgases auf den erforderlichen Wert anzuheben. Auf diese Weise kann das relativ trockene eintretende Brennstoffgas mit zumindest einem Anteil des relativ feuchten und/oder dampfförmigen Abgases von einem des ersten, des zweiten und/oder dritten Brennstoffzellenstapels 16, 18 bzw. 20 gemischt werden. Nach dem Mischen kann die Gasmischung (d. h. das relativ feuchte und/oder dampfförmige Abgas und das relativ trockene Brennstoffgas) dann zurück in das Brennstoffzellensystem 10 und insbesondere den ersten Brennstoffzellenstapel 16 eingeführt werden.
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In 2 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 110 mit zwei Stapeln, das ein Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem 112 aufweist, das funktionell der Seite der Stapelanodenströmung 114 zugeordnet ist, gemäß einer ersten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Das Brennstoffzellensystem 110 umfasst zwei Brennstoffzellenstapel 116, 118, die jeweils in Fluidverbindung miteinander stehen. Die jeweiligen Brennstoffzellenstapel 116, 118 bestehen aus einer Anzahl einzelner Brennstoffzellenelemente 122. Die Anzahl von Brennstoffzellenelementen 122 kann unter den Brennstoffzellenstapeln 116 bzw. 118 variiert werden. Es kann eine Leitung 116a vorgesehen sein, um eine Fluidverbindung zwischen dem Brennstoffzellenstapel 116 und dem Brennstoffzellenstapel 118 vorzusehen.
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Der Brennstoffzellenstapel 116 ist mit einem Brennstoffgaseinlass 124 (beispielsweise einem Stapelanodeneinlass) versehen, der dazu dient, eine Menge an Brennstoffgas aufzunehmen, und der Brennstoffzellenstapel 118 ist mit einem Abgasauslass 126 (beispielsweise einem Stapelanodenauslass) versehen, der dazu dient, eine Menge an Abgas auszutragen. Der Brennstoffgaseinlass 124 steht in Fluidverbindung mit einem Strömungssteuerventil 128, die in Fluidverbindung mit dem Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem 112 steht. Das Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem 112 kann eine Befeuchtungs-/Gasrezirkulationsvorrichtung 130 umfassen. Die Befeuchtungs-/Gasrezirkulationsvorrichtung 130 kann eine Pumpe, einen Ejektor, einen Injektor (beispielsweise einen Venturi-Injektor) und Kombinationen daraus umfassen.
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Die Befeuchtungs-/Gasrezirkulationsvorrichtung 130 steht in Fluidverbindung mit einer Brennstoffgasspeicher/lieferquelle 132, beispielsweise über Leitung 132a. Anhand eines nicht beschränkenden Beispiels kann das Brennstoffgas aus Wasserstoff bestehen. Ein Austragsauslass 126 steht in Fluidverbindung mit einem Drucksteuerventil 134, beispielsweise über Leitung 134a. Das Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem 112 und insbesondere die Befeuchtungs-/Gasrezirkulationsvorrichtung 130 kann in Fluidverbindung mit entweder dem Austragsauslass 126 und/oder der Leitung 134a beispielsweise über Leitung 130a stehen.
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Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform verwendet die vorliegende Erfindung, da das das Brennstoffzellensystem 110 verlassende Abgas typischerweise einen höheren Feuchtigkeitsgehalt besitzt, als das in das Brennstoffzellensystem 110 eingeführte Brennstoffgas, das Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem 112 und insbesondere die Befeuchtungs-/Gasrezirkulationsvorrichtung 130, um ein Verfahren zum Wiedereinführen des relativ feuchten und/oder dampfförmigen Abgases zurück in den ersten Brennstoffzellenstapel 116 (beispielsweise von Leitung 130a), nachdem es den zweiten Brennstoffzellenstapel 118 verlassen hat, vorzusehen. Es sei jedoch angemerkt, dass das Abgas rezirkuliert werden kann, nachdem es den ersten Brennstoffzellenstapel 116 verlassen hat.
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Aufgrund der Tatsache, dass das Abgas den ersten Brennstoffzellenstapel 116 (wie auch den zweiten Brennstoffzellenstapel 118) bei einem Druck verlässt, der geringer als der des eintretenden Brennstoffgases ist, verwendet das Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem 112 und insbesondere die Befeuchtungs-/Gasrezirkulationsvorrichtung 130 eine Vorrichtung, um beide Gasströme (d. h. das Abgas und das Brennstoffgas) zu mischen. Wie vorher beschrieben kann diese Vorrichtung eine Pumpe, ein Ejektor, ein Injektor oder eine Kombination daraus sein, die dazu dient, den Druck des rezirkulierten Abgases auf den erforderlichen Wert zu erhöhen. Auf diese Weise kann das relativ trockene eintretende Brennstoffgas mit zumindest einem Anteil des relativ feuchten und/oder dampfförmigen Abgases von entweder dem ersten und/oder zweiten Brennstoffzellenstapel 116 bzw. 118 gemischt werden. Nach dem Mischen kann die Gasmischung (d. h. das relativ feuchte und/oder dampfförmige Abgas und das relativ trockene Brennstoffgas) dann zurück in das Brennstoffzellensystem 110 und insbesondere den ersten Brennstoffzellenstapel 116 eingeführt werden.
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Bezugnehmend auf 3 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 210 mit drei Stapeln, das ein Befeuchtungssystem 212 aufweist, das funktionell der Seite der Stapelkathodenströmung 214 zugeordnet ist.
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Das Brennstoffzellensystem 210 umfasst drei Brennstoffzellenstapel 216, 218 bzw. 220, die miteinander oder zumindest mit einem benachbarten Brennstoffzellenstapel in Fluidverbindung stehen. Die Brennstoffzellenstapel 216, 218 bzw. 220 bestehen aus einer Anzahl einzelner Brennstoffzellenelemente 222. Die Anzahl von Brennstoffzellenelementen 222 kann unter den Brennstoffzellenstapeln 216, 218 bzw. 220 variiert werden. Es können Leitungen 216a und 218a vorgesehen sein, um eine Fluidverbindung zwischen dem Brennstoffzellenstapel 216/dem Brennstoffzellenstapel 218 bzw. dem Brennstoffzellenstapel 218/dem Brennstoffzellenstapel 220 vorzusehen.
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Der Brennstoffzellenstapel 216 ist mit einem Oxidationsmittelgaseinlass 224 (beispielsweise einem Stapelkathodeneinlass) versehen, der dazu dient, eine Menge an Oxidationsmittelgas aufzunehmen, und der Brennstoffzellenstapel 220 ist mit einem Austragsauslass 226 (beispielsweise einem Stapelkathodenauslass) versehen, der dazu dient, eine Menge an Abgas auszutragen. Der Oxidationsmittelgaseinlass 224 steht in Fluidverbindung mit zumindest einem Kompressor 228. Der Kompressor 228 kann auch funktionell einem anderen Kompressor 230 zugeordnet sein und/oder mit diesem in Fluidverbindung stehen. Die Kompressoren 228 bzw. 230 können durch einen Motor 232 betrieben werden.
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Die Kompressoren 228 bzw. 230 können in Fluidverbindung mit einem Strömungsmesser 234 über eine Leitung 234a stehen, der in Fluidverbindung mit einer Oxidationsmittelgasspeicher/lieferquelle 236 beispielsweise über Leitung 236a steht. Anhand eines nicht beschränkenden Beispiels kann das Oxidationsmittel aus Luft, beispielsweise Umgebungsluft bestehen.
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Die Kompressoren 228 bzw. 230 und jegliche zugeordnete Komponenten umfassen, wie vorher beschrieben wurde, das Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem 212. Jedoch verwendet das Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem 212 anstelle der Verwendung von Pumpen, Ejektoren und/oder Injektoren die Kompressoren 228 bzw. 230, um die Rezirkulationsfunktion zu erreichen.
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Die Kompressoren 228 bzw. 230 stehen entweder direkt oder indirekt mit einem der Brennstoffzellenstapel 216, 218 bzw. 220 beispielsweise durch Leitungen 216b, 218b bzw. 220b in Fluidverbindung. In der Leitung 216c kann ein Rückführströmungssteuerventil 240 angeordnet sein, und in den Leitungen 218b bzw. 220b können Strömungssteuerventile 242 bzw. 244 angeordnet sein. Auf diese Weise können direkte Eingänge 246 bzw. 248 für die Brennstoffzellenstapel 218 bzw. 220 von dem Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem 212 und insbesondere von den Kompressoren 228 bzw. 230 vorgesehen werden. Zusätzlich kann ein Drucksteuerventil 250 vorgesehen sein, das mit einem Austragsauslass 226 beispielsweise über eine Leitung 250a in Fluidverbindung steht.
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Da das das Brennstoffzellensystem 210 verlassende Abgas typischerweise einen höheren Feuchtigkeitsgehalt als das in das Brennstoffzellensystem 210 eingeführte Oxidationsmittelgas besitzt, verwendet das Brennstoffzellensystem 210 das Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem 212 und insbesondere die Kompressoren 228 bzw. 230, um ein Verfahren zum Wiedereinführen des relativ feuchten und/oder dampfförmigen Abgases (beispielsweise von Leitung 216c) zurück in den ersten Brennstoffzellenstapel 216, nachdem es den ersten Brennstoffzellenstapel 216 verlassen hat, vorzusehen, das jedoch nicht erfindungsgemäß ist. Es sei jedoch angemerkt, dass das Abgas auch gemäß der Erfindung rezirkuliert werden kann, nachdem es entweder den zweiten und/oder dritten Brennstoffzellenstapel 218 bzw. 220 verlassen hat.
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Aufgrund der Tatsache, dass das Abgas den ersten Brennstoffzellenstapel 216 (und anschließende Brennstoffzellenstapel) bei einem Druck verlässt, der geringer als der des eintretenden Oxidationsmittelgases ist, werden das Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem 212 und insbesondere die Kompressoren 228 bzw. 230 verwendet, um beide Gasströme (d. h. das Abgas und das Oxidationsmittelgas) zu mischen. Die Kompressoren 228 bzw. 230 dienen dazu, den Druck des rezirkulierten Abgases auf den erforderlichen Wert zu erhöhen. Auf diese Art und Weise kann das relativ trockene eintretende Oxidationsmittelgas mit zumindest einem Anteil des relativ feuchten und/oder dampfförmigen Abgases von entweder dem ersten, zweiten und/oder dritten Brennstoffzellenstapel 216, 218 bzw. 220 gemischt werden. Nach dem Mischen kann die Gasmischung (d. h. das relativ feuchte und/oder dampfförmige Abgas und das relativ trockene Oxidationsmittelgas) dann zurück in das Brennstoffzellensystem 210 und insbesondere einen des ersten, zweiten und/oder dritten Brennstoffzellenstapels 216, 218 bzw. 220 eingeführt werden.
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Bezugnehmend auf 4 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 310 mit zwei Stapeln, das ein Befeuchtungssystem 312 aufweist, das funktionell der Seite der Stapelkathodenströmung 314 zugeordnet ist.
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Das Brennstoffzellensystem 310 umfasst zwei Brennstoffzellenstapel 316 bzw. 318, die miteinander in Fluidverbindung stehen. Die Brennstoffzellenstapel 316 bzw. 318 bestehen aus einer Anzahl einzelner Brennstoffzellenelemente 322. Die Anzahl von Brennstoffzellenelementen 322 kann unter den Brennstoffzellenstapeln 316 bzw. 318 variiert werden. Es kann eine Leitung 316a vorgesehen sein, um eine Fluidverbindung zwischen dem Brennstoffzellenstapel 316 und dem Brennstoffzellenstapel 318 vorzusehen.
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Der Brennstoffzellenstapel 316 ist mit einem Oxidationsmittelgaseinlass 324 (beispielsweise einem Stapelkathodeneinlass) versehen, der dazu dient, eine Menge an Oxidationsmittelgas aufzunehmen, und der Brennstoffzellenstapel 318 ist mit einem Abgasauslass 326 (beispielsweise einem Stapelkathodenauslass) versehen, der dazu dient, eine Menge an Abgas auszutragen. Der Brennstoffgaseinlass 324 steht in Fluidverbindung mit zumindest einem Kompressor 328. Der Kompressor 328 kann auch funktionell einem anderen Kompressor 330 zugeordnet sein und/oder mit diesem in Fluidverbindung stehen. Die Kompressoren 328 bzw. 330 können durch einen Motor 332 betrieben werden.
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Die Kompressoren 328 bzw. 330 können in Fluidverbindung mit einem Strömungsmesser 334 über eine Leitung 334a stehen, der in Fluidverbindung mit einer Oxidationsmittelgasspeicher/lieferquelle 336 beispielsweise über Leitung 336a steht. Anhand eines nicht beschränkenden Beispiels kann das Oxidationsmittelgas aus Luft, beispielsweise Umgebungsluft bestehen.
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Die Kompressoren 328 bzw. 330 und jegliche zugeordnete Komponenten umfassen, wie vorher beschrieben, das Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem 312. Jedoch verwendet das Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem 312 anstelle der Verwendung von Pumpen, Ejektoren und/oder Injektoren die Kompressoren 328 bzw. 330, um die Rezirkulationsfunktion zu erreichen.
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Die Kompressoren 328 bzw. 330 stehen entweder direkt oder indirekt mit einem der Brennstoffzellenstapel 316 bzw. 318 beispielsweise durch Leitungen 316b bzw. 318b in Fluidverbindung. In der Leitung 316c kann ein Rückführströmungssteuerventil 340 angeordnet sein, und in den Leitungen 316b bzw. 318b können Strömungssteuerventile 342 bzw. 344 angeordnet sein. Auf diese Art und Weise kann ein direkter Eingang 346 bzw. 348 für die Brennstoffzellenstapel 316 bzw. 318 von dem Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem 312 und insbesondere den Kompressoren 328 bzw. 330 vorgesehen werden. Zusätzlich kann ein Drucksteuerventil 350 vorgesehen sein, das beispielsweise über eine Leitung 350a mit einem Austragsauslass 326 in Fluidverbindung steht.
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Da das das Brennstoffzellensystem 310 verlassende Abgas typischerweise einen höheren Feuchtigkeitsgehalt als das in das Brennstoffzellensystem 310 eingeführte Oxidationsmittelgas besitzt, verwendet das Brennstoffzellensystem 310 das Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem 312 und insbesondere die Kompressoren 328 bzw. 330, um ein Verfahren zum Wiedereinführen des relativ feuchten und/oder dampfförmigen Abgases (beispielsweise von Leitung 316c) zurück in den ersten Brennstoffzellenstapel 316, nachdem es den ersten Brennstoffzellenstapel 316 verlassen hat, vorzusehen, das jedoch nicht erfindungsgemäß ist. Es sei jedoch angemerkt, dass das Abgas auch gemäß der Erfindung rezirkuliert werden kann, nachdem es den zweiten Brennstoffzellenstapel 318 verlassen hat.
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Aufgrund der Tatsache, dass das Abgas den ersten Brennstoffzellenstapel 316 (und anschließende Brennstoffzellenstapel) bei einem Druck verlässt, der geringer als der des eintretenden Oxidationsmittelgases ist, werden das Befeuchtungs-/Gasrezirkulationssystem 312 und insbesondere die Kompressoren 328 bzw. 330 verwendet, um beide Gasströme (d. h. das Abgas und das Oxidationsmittelgas) zu mischen. Die Kompressoren 328 bzw. 330 dienen dazu, den Druck des rezirkulierten Abgases auf den erforderlichen Wert zu erhöhen. Auf diese Weise kann das relativ trockene eintretende Brennstoffgas mit zumindest einem Anteil des relativ feuchten und/oder dampfförmigen Abgases von entweder dem ersten, zweiten und/oder dritten Brennstoffzellenstapel 316, 318 bzw. 320 gemischt werden. Nach dem Mischen kann die Gasmischung (d. h. das relativ feuchte und/oder dampfförmige Abgas und das relativ trockene Oxidationsmittelgas) dann zurück in das Brennstoffzellensystem 310 und insbesondere einen des ersten und/oder zweiten Brennstoffzellenstapels 316 bzw. 318 eingeführt werden.
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Einige der Vorteile der vorliegenden Erfindung umfassen ohne Beschränkung: (1) befeuchtetes Einlassgas für alle Stufen des kaskadenartigen Stapels, von dem ausgegangen wird, dass es die Leistung und die Haltbarkeit erhöht; (2) Kostenreduzierung durch Beseitigung des Bedarfs nach aufwändigen externen Befeuchtungsvorrichtungen (beispielsweise eine Wasserdampfübertragungseinheit); (3) Reduzierung der Anzahl von Komponenten in dem Brennstoffzellensystem, was Kosten, die Systemgröße wie auch Steueranstrengungen reduziert; und (4) reduzierte Start-Stopp-Schädigung durch Verwendung einer verdünnten Gasversorgung.
