DE102007057488A1

DE102007057488A1 - Vorrichtung zum Verhindern von Kohlenstoffkorrosion an der Kathode einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102007057488A1
Application number: DE200710057488
Authority: DE
Inventors: Seung Chan Yongin Oh; Jong Hyun Seongnam Lee; Jong Jin Yoon; Jae Jun Gunpo Ko; Young Min Seongnam Kim; Ik Jae Yongin Son
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2007-06-21
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2008-12-24
Also published as: KR101091661B1; US20080318099A1; KR20080112475A; CN101330153A; JP2009004343A

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung bereit, um ein Auftreten von Kohlenstoffkorrosion an der Kathode einer Brennstoffzelle wirksam zu verhindern. Die vorliegenden Vorrichtungen umfassen ein Luftgebläse, das einer Brennstoffzelle von einer Luftzufuhrquelle Luft zuführt; eine Brennstoffzelle, die Luft aus dem Luftgebläse erhält, um durch eine chemische Reaktion Elektrizität zu erzeugen; ein Entlüftungsrohr, durch welches die verbleibende Restluft entlüftet wird, nachdem der Sauerstoff in der Luft durch die chemische Reaktion in der Brennstoffzelle verbraucht worden ist; einen Drucksensor, der zum Messen des Luftdrucks in der Brennstoffzelle in dem Entlüftungsrohr bereitgestellt ist; ein Entlüftungs-Magnetventil, das zum Steuern der Luftströmung des Entlüftungsrohres in dem Entlüftungsrohr bereitgestellt ist; und ein Steuergerät, das durch das Erhalten eines Signals, das vom Drucksensor gemessen wird, den Betrieb des Luftgebläses und des Entlüftungs-Magnetventils steuert, wobei das Steuergerät mit Hilfe des Drucksensors den Luftdruck misst und das Luftgebläse der Brennstoffzelle Luft zuführen lässt, bis der Luftdruck einen vorbestimmten Wert erreicht, und dann das Entlüftungs-Magnetventil schließt, bis der Sauerstoff in der Brennstoffzelle vollständig verbraucht ist, wodurch die Ausbildung einer Wasserstoff-/Sauerstoff-Grenzfläche an der Anode der Brennstoffzelle verhindert wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
a) Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verhindern von Kohlenstoffkorrosion an der Kathode einer Brennstoffzelle, welche während des An- und Abfahrens der Brennstoffzelle die Ausbildung einer Wasserstoff-/Sauerstoff-Grenzfläche an der Anode der Brennstoffzelle verhindert.
b) Allgemeiner Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle, die als Hauptenergiequelle eines Brennstoffzellen-Fahrzeuges verwendet wird, erzeugt Elektrizität durch die Reaktion von Sauerstoff aus der Luft mit Wasserstoff, der in einem Brennstofftank des Fahrzeuges aufbewahrt ist.
1 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug. Die Brennstoffzelle 10 enthält einen Separator 11, eine Anode 12, eine Elektrolytmembran 13, eine Kathode 14, eine Anordnung 15 zur Verteilung von Wasserstoff, Sauerstoff und Kühlmittel, ein Anodenströmungsfeld 16, ein Kathodenströmungsfeld 17 und ein Kühlmittelströmungsfeld 18.
Während des Betriebs der Brennstoffzelle 10 wird durch ein Wasserstoffzufuhr-Magnetventil 20 und ein Rohr 38 dem Ano denströmungsfeld 16 Wasserstoff aus einer Wasserstoffzufuhrquelle 19 zugeführt.
Um die Wasserstoff-Verwendungsrate zu erhöhen, wird der Wasserstoff in der Brennstoffzelle 10 umgewälzt. Genauer gesagt wird durch den Betrieb eines Wasserstoff-Umwälzgebläses 22 unreagierter Wasserstoff zu einem Rohr 23 geleitet, während ein Spülventil 21 geschlossen ist, und dann durch das Wasserstoff-Umwälzgebläse 22 und das Wasserstoff-Umwälz-Steuerungsventil 24 zum Anodenströmungsfeld 16 zurückgeführt.
Das Wasserstoffspülventil 21 wird zu einem vorbestimmten Zeitpunkt und für eine vorbestimmte Zeitdauer geöffnet, um Stickstoff und Feuchtigkeit, die durch die Elektrolytmembran 13 zur Anode strömen, abzulassen.
Aus der Umgebungsluft 46 wird Sauerstoff durch ein Rohr 25 einem Luftgebläse 26 zugeführt, wobei das Luftgebläse 26 den Luftstrom steuert, um die Luft durch ein Rohr 27 dem Kathodenströmungsfeld 17 zuzuführen.
Wasserstoff (H₂) am Anodenströmungsfeld 16 wird durch einen Katalysator der Anode 12 in Wasserstoffionen (H⁺) und Elektronen (e^–) aufgespaltet, und die Wasserstoffionen werden durch die Elektrolytmembran 13 der Kathode 14 zugeleitet.
Sauerstoff (O₂) am Kathodenströmungsfeld 17 wird durch einen Katalysator der Kathode 14 in Sauerstoffionen (O^–) aufgespaltet, und die Wasserstoffionen (H⁺), die von der Anode zugeleitet werden, und die Sauerstoffionen (O^–) reagieren miteinander zu H₂O.
Sauerstoff, der dem Kathodenströmungsfeld 17 zugeführt wird, wird bei der Reaktion verbraucht, und dadurch weist das Kathodenströmungsfeld 17 eine Sauerstoffkonzentration auf, die niedriger als die der Umgebungsluft ist (d. h., es ist viel mehr Stickstoff vorhanden). Die resultierende Luft im Kathodenströmungsfeld 17 wird durch ein Entlüftungsrohr 28 entlüftet.
Die Brennstoffzelle 10 wird durch ein Kühlmittel gekühlt, das dem Kühlmittelströmungsfeld 18 zugeführt wird. Um die optimale Temperatur der Brennstoffzelle aufrechtzuerhalten, ist eine Kühlmittelpumpe 29 bereitgestellt. Das heißt, das Kühlmittel im Kühlmittelströmungsfeld 18 kühlt die Brennstoffzelle 10 und wird erwärmt. Das Kühlmittel mit erhöhter Temperatur wird durch ein Rohr 30 in die Kühlmittelpumpe 29 eingespeist und dann zum Kühlen durch ein Rohr 31 in einen Wärmetauscher 32 eingeführt.
Das gekühlte Kühlmittel wird mit Hilfe eines Rohres 33, eines Kühlmittel-Steuerungsventils 34 und eines Rohres 35 zurück in das Kühlmittelströmungsfeld 18 eingespeist, um die Brennstoffzelle 10 zu kühlen.
Wenn jedoch während des An- und Abfahrens der Brennstoffzelle 10 Sauerstoff aus der Luft in das Anodenströmungsfeld 16 eingespeist wird, bildet sich in der Brennstoffzelle teilweise eine Wasserstoff-/Sauerstoff-Grenzfläche teilweise aus, wie in 2 (US-Patenanmeldung Nr. 2003/0134165 Al) gezeigt, die ein Kohlenstoffträgermaterial an der Kathode korrodiert, wodurch die Leistung der Brennstoffzelle verschlechtert wird.
Unterschiedliche Vorrichtungen und Verfahren zur Verminderung der Leistungsherabsetzung aufgrund der Ausbildung einer Wasserstoff-/Sauerstoff-Grenzfläche während des An- und Abfahrens der Brennstoffzelle wurden vorgeschlagen, wobei diese sich wie folgt zusammenfassen lassen:

I. Hinzufügen von Vorrichtungen wie: 1. einen Widerstand (US-Patentanmeldung Nr. 2003/0134165 A1), 2. einen Gasbrenner (US-Patentanmeldung Nr. 2003/0031966 A1), 3. mehrere Wasserstoff-Gasbrenner in einem Wasserstoff-Umwälzgebläse (US-Patentanmeldung Nr. 2003/0129462 A1), und 4. eine Stickstoff-Druckgasflasche.
II. An- und Anfahrprozesse der Brennstoffzelle wie: 1. Spülen des Anodenbereichs mit Stickstoff und Spülen mit Luft während des Abfahrens der Brennstoffzelle (US-Patentanmeldung Nr. 2003/0134165 A1); 2. Zuführen von Wasserstoff während des Hochfahrens zuerst zur Anode (US-Patentanmeldung Nr. 2003/0134165 A1); und 3. Entfernen von Sauerstoff durch Zuführen von Wasserstoff in den Wasserstoff-Gasbrenner im Wasserstoff-Umwälzgebläse (US-Patentanmeldung Nr. 2003/0129462 A1).

Bei Verwendung des Gasbrenners besteht jedoch ein Sicherheitsproblem, und es wird eine zusätzliche Vorrichtung benötigt. Solch eine zusätzliche Vorrichtung benötigt viel Leistung und Platz hinsichtlich der räumlichen Anordnung.
Auch bei Verwendung der Stickstoff-Druckgasflasche bestehen einige Probleme – es wird eine zusätzliche Vorrichtung zum Befestigen der Stickstoff-Druckgasflasche im Fahrzeug benötigt, und die Stickstoff-Druckgasflasche muss wieder aufgefüllt werden, wenn der Stickstoff aufgebraucht ist.
Außerdem wird, wenn während des Abfahrprozesses der Brennstoffzelle mit Luft gespült wird, an der Anode zwangsläufig die Wasserstoff-/Sauerstoff-Grenzfläche ausgebildet und verkürzt die Zeitdauer, während derer die Anode mit Luft gefüllt ist, wodurch sich die Leistung der Brennstoffzelle verschlechtert.
Darüber hinaus benötigt bei der Vorrichtung und dem Verfahren, den An- und Abfahrprozess der Brennstoffzelle zu verwenden, das An- und Abfahren viel Zeit, was zu einem Problem von Unannehmlichkeit führt.
Demgemäß wirken sich die Vorrichtungen und Verfahren aus dem Stand der Technik nachteilig auf die Haltbarkeitsleistung der Brennstoffzelle auf. Weiterhin kann es aufgrund von Schmutzstoffen in der Umgebungsluft zu Schäden an der Brennstoffzelle kommen, wenn der Wasserstoffablass und der Luftablass der Umgebungsluft ausgesetzt sind.
Die in diesem Abschnitt zum Hintergrund der Erfindung offenbarten Informationen sind nur zur Verbesserung des Verständnisses des Hintergrundes der Erfindung bestimmt und sollen nicht als Anerkenntnis oder als irgendeine Art von Andeutung dahingehend aufgefasst werden, dass diese Informationen den einem Fachmann bereits bekannten Stand der Technik bildeten.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde in dem Bestreben gemacht, die oben stehenden Probleme zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Verhindern von Kohlenstoffkorrosion an der Kathode einer Brennstoffzelle bereitzustellen, welche die Korrosion eines Kohlenstoffmaterials an der Kathode wirksam verhindern kann, indem sie während des An- und Abfahrens der Brennstoffzelle an deren Anode die Ausbildung einer Wasserstoff-/Sauerstoff-Grenzfläche verhindert.
Unter einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Verhindern von Kohlenstoffkorrosion an der Kathode einer Brennstoffzelle bereit, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: ein Luftgebläse, das einer Brennstoffzelle Luft aus einer Luftzufuhrquelle zuführt; eine Brennstoffzelle, die von dem Luftgebläse Luft erhält, um durch eine chemische Reaktion Elektrizität zu erzeugen; ein Entlüftungsrohr, durch welches verbleibende Restluft entlüftet wird, nachdem der Sauerstoff in der Luft durch die chemi sche Reaktion in der Brennstoffzelle verbraucht worden ist; einen Drucksensor, der im Entlüftungsrohr bereitgestellt ist, um den Luftdruck in der Brennstoffzelle zu messen; ein Entlüftungs-Magnetventil, das im Entlüftungsrohr bereitgestellt ist, um den Luftstrom des Entlüftungsrohres zu steuern; und ein Steuergerät, das das Luftgebläse und das Entlüftungs-Magnetventil steuert, wozu es ein Signal empfängt, das vom Drucksensor gemessen wird. Das Steuergerät misst mit Hilfe des Drucksensors den Luftdruck und lässt das Luftgebläse der Brennstoffzelle Luft zuführen, bis der Luftdruck einen vorbestimmten Druck erreicht, und schließt dann das Entlüftungs-Magnetventil, bis der Sauerstoff in der Brennstoffzelle vollständig aufgebraucht ist, wodurch die Ausbildung einer Wasserstoff-/Sauerstoff-Grenzfläche an der Anode der Brennstoffzelle verhindert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Drucksensor und dem Entlüftungs-Magnetventil ein Druckentlastungsventil (PRV) bereitgestellt.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist im Entlüftungsrohr ein Speicherbehälter bereitgestellt, um Wasser zu speichern, das durch das Entlüftungsrohr abgelassen wird, und unter dem Speicherbehälter ist ein Wasserablauf-Magnetventil bereitgestellt, um das Wasser aus dem Speicherbehälter abzulassen.
In noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Entlüftungs-Magnetventil mit einem Hitzdraht versehen, um zu verhindern, dass das Entlüftungs-Magnetventil aufgrund von Wasser einfriert, wenn die Temperatur unter null Grad fällt.
In noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Wasserablauf-Magnetventil mit einem Hitzdraht bestückt, um zu verhindern, dass das Wasserablauf-Magnetventil aufgrund von Wasser einfriert, wenn die Temperatur unter null Grad fällt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Luftgebläse und der Brennstoffzelle ein Luftzufuhr-Magnetventil bereitgestellt, um die Luftmenge, die bei der chemischen Reaktion in der Brennstoffzelle verbraucht wird, zu minimieren, wodurch die Zeitdauer, in welcher die Kathode mit Stickstoff gefüllt ist, vermindert wird.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Energie speichernde und Sauerstoff verbrauchende Vorrichtung mit der Brennstoffzelle verbunden, um rasch den Sauerstoff zu verbrauchen, der in der Luft enthalten ist, die in die Brennstoffzelle eingespeist wird.
Es versteht sich, dass der Ausdruck „Fahrzeug" oder weitere ähnliche Begriffe, die hier verwendet werden, Motorfahrzeuge im Allgemeinen umfasst, wie zum Beispiel Kraftfahrzeuge zur Personenbeförderung einschließlich Geländewagen (SUV, engl. „sports utility vehicles"), Busse, Lastwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich verschiedener Boote und Schiffe, Flugzeuge und Ähnliches.
Weitere Aspekte der Erfindung werden nachstehend behandelt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Brennstoffzellensystems eines Brennstoffzellen-Fahrzeuges;
2 ist eine schematische Darstellung, welche die Ausbildung einer Wasserstoff-/Sauerstoff-Grenzfläche in dem herkömmlichen Brennstoffzellensystem darstellt;
3 ist ein Konfigurationsschema, das eine Vorrichtung zum Verhindern von Kohlenstoffkorrosion an der Kathode einer Brennstoffzelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 ist eine schematische Darstellung, die ein Entlastungsventil darstellt, das in einem Entlüftungsrohr von 3 bereitgestellt ist;
5 ist ein Konfigurationsschema, das eine Vorrichtung zum Verhindern von Kohlenstoffkorrosion an der Kathode einer Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 ist ein Konfigurationsschema, das eine Vorrichtung zum Verhindern von Kohlenstoffkorrosion an der Kathode einer Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
7 ist ein Konfigurationsschema, das eine Vorrichtung zum Verhindern von Kohlenstoffkorrosion an der Kathode ei ner Brennstoffzelle gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Die in den Zeichnungen angegebenen Bezugszeichen beziehen sich auf die folgenden Elemente, wie nachstehend weiter behandelt wird:

10: Brennstoffzelle
11: Separator
12: Anode
13: Elektrolytmembran
14: Kathode
15: Anordnung zur Verteilung von Wasserstoff, Sauerstoff und Kühlmittel
16: Anodenströmungsfeld
17: Kathodenströmungsfeld
18: Kühlmittelströmungsfeld
19: Wasserstoffzufuhrquelle
20: Wasserstoffzufuhrventil
21: Spülventil
22: Wasserstoff-Umwälzgebläse
23, 25, 27, 30, 31, 33, 35, 38 und 39: Rohre
24: Wasserstoff-Umwälz-Steuerungsventil
26: Luftgebläse
28: Entlüftungsrohr
29: Kühlmittelpumpe
32: Wärmetauscher
34: Kühlmittel-Steuerungsventil
36: Entlüftungs-Magnetventil
37: Drucksensor
40: Druckentlastungsventil
41: Entlüftungs-Magnetventil mit Hitzdraht
42: Speicherbehälter
43: Wasserablauf-Magnetventil mit Hitzdraht
44: Luftzufuhr-Magnetventil
45: Energie speichernde und Sauerstoff verbrauchende Vorrichtung
46: Luft

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es wird nun eingehend auf die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Bezug genommen. Beispiele für diese werden in den nachfolgend beigefügten Zeichnungen dargestellt, wobei gleiche Bezugszahlen sich durchgängig auf gleiche Teile beziehen. Die Ausführungsformen werden unten beschrieben, um die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 3 bis 7 zu erläutern.
Wie oben behandelt wurde, weist der Stand der Technik folgende Probleme auf: 1. komplizierte Struktur (Widerstand, Wasserstoffbrenner in der Wasserstoff-Umwälzstrecke, Stickstoffbehälter, etc.); 2. übermäßig lange Zeitdauer, die von dem komplizierten An- und Abfahrprozess benötigt wird; 3.
Verschlechterung der Haltbarkeitsleistung aufgrund von Luft, die während des An- und Abfahrens durch Benutzen einer zusätzlichen Vorrichtung in die Anode strömt; und 4) Verschlechterung der Haltbarkeitsleistung aufgrund von Schmutzstoffen, wenn der Wasserstoffablass und der Luftablass der Brennstoffzelle der Luft ausgesetzt sind.
Beispielsweise kann unter trockenen atmosphärischen Bedingungen die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle verdunstet werden, und das befeuchtende Wasser einer Membran-Elektro den-Einheit (MEA) wird verdunstet, so dass eine Leistungsverschlechterung verursacht wird. Überdies dringen, wenn die Brennstoffzelle 10 lange nicht genutzt wird, Schmutzstoffe aus der Umgebungsluft wie CO₃ HC, O₃, H₂S, etc. und organische Stoffe in die Brennstoffzelle 10 ein, wodurch die Leistung der Brennstoffzelle 10 vermindert wird.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, derartige Probleme des Standes der Technik zu lösen und während des Anfahrens und Abfahrens der Brennstoffzelle die Ausbildung einer Wasserstoff-/Sauerstoff-Grenzfläche an der Anode zu verhindern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind in einem Entlüftungsrohr 28 ein Drucksensor 37 und ein Entlüftungs-Magnetventil 36 bereitgestellt.
Im Allgemeinen wird Luft während des Betriebs der Brennstoffzelle 10 durch ein Entlüftungsrohr 28 von der Brennstoffzelle 10 nach außen entlüftet.
Während des Abfahrens der Brennstoffzelle 10 wird ein Anschluss in der Brennstoffzelle 10, der elektrische Leistung bereitstellt, kurzgeschlossen, und die Brennstoffzelle 10 weist eine Leerlaufspannung (OCV) auf.
Zu diesem Zeitpunkt wird, während das Wasserstoff-Spülventil 21 geschlossen ist, in die Brennstoffzelle 10 durch das Wasserstoffzufuhrventil 20 und das Wasserstoffzufuhrrohr 38 fortlaufend Wasserstoff eingespeist, der in der Brennstoffzelle 10 an einer chemischen Reaktion teilnimmt. Unreagier ter Restwasserstoff wird anschließend durch das Wasserstoff-Umwälzgebläse 22 umgewälzt.
Der Drucksensor 37 misst den Luftdruck des Entlüftungsrohres 28, und ein Steuergerät, das ein Signal erhält, das vom Drucksensor 37 gemessen wird, überträgt ein Steuersignal an das Luftgebläse 26, damit dieses der Brennstoffzelle 10 Luft zuführt, bis ein vorbestimmter Druck erreicht ist. Wenn der vorbestimmte Druck erreicht wird, wird der Betrieb des Luftgebläses 26 eingestellt und ein Entlüftungs-Magnetventil 36 wird geschlossen.
In diesem Fall kann der Druck auf einen Absolutdruck zwischen 1,01 bar und 3,0 bar und vorzugsweise auf einen Absolutdruck zwischen 1,1 bar und 2,0 bar eingestellt werden.
Im Folgenden wird die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erläutert, die in der Brennstoffzelle 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abläuft.
1. Reaktion an der Anode 12
Wasserstoff, der in die Anode 12 und ein Wasserstoff-Entlüftungsrohr 39 gefüllt ist, reagiert mit Sauerstoff, welcher von der Kathode 14 zuströmt, zu Wasser. Das heißt, zwei H₂-Moleküle reagieren mit einem O₂-Molekül zu zwei H₂O-Molekülen.
An der Anode 12 findet fortlaufend eine solche Reaktion statt. Dabei wird der Wasserstoff allmählich verbraucht, und daher vermindert sich der Druck des Wasserstoffs.
2. Reaktion an der Kathode 14
Luft wird in die Kathode 14 und das Entlüftungsrohr 28 eingefüllt, und Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist, reagiert mit Wasserstoff, welcher von der Anode 12 zuströmt, wobei an der Kathode 14 Wasser gebildet wird. Das heißt, zwei H₂-Moleküle reagieren mit einem O₂-Molekül zu zwei H₂O-Molekülen.
An der Kathode 14 findet fortlaufend eine solche Reaktion statt. Dabei wird der Sauerstoff allmählich verbraucht, und daher vermindert sich der Druck des Sauerstoffs.
Die obigen Reaktionen dauern an, bis der Sauerstoff in der Luft eines Luftzufuhrrohres 27, eines Kathodenströmungsfeldes 17 und des Entlüftungsrohres 28 vollständig verbraucht ist.
Wenn der Sauerstoff vollständig verbraucht ist, liegt der Luftdruck des Luftzufuhrrohres 27, des Kathodenströmungsfeldes 17 und des Entlüftungsrohres 28 um 20% unter dem vorbestimmten Druck, da der Sauerstoffanteil in der Luft ungefähr 20% beträgt.
In diesem Fall liegt der Druckunterschied zwischen der Anode 12 und der Kathode 14 im Allgemeinen innerhalb von ±1 bar und vorzugsweise innerhalb von 0,5 bar.
Demgemäß wird keine Wasserstoff-/Sauerstoff-Grenzfläche ausgebildet, obwohl Wasserstoff direkt von einer Wasserstoffzufuhrquelle 19 zugeführt wird, da die Kathode 14 mit Stickstoff und die Anode 12 mit Wasserstoff gefüllt ist, nachdem der Sauerstoff vollständig verbraucht worden ist, wodurch die Kohlenstoffkorrosion der Kathode verhindert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zwischen dem Entlüftungs-Magnetventil 36 und dem Drucksensor 37 ein Druckentlastungsventil (PRV) 40 bereitgestellt, um einen Überdruck aufgrund einer Fehlfunktion des Drucksensors oder des Luftgebläses zu vermeiden, wodurch die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) in der Brennstoffzelle geschützt wird.
Das Druckentlastungsventil 40 arbeitet bei einem Druck oberhalb eines vorbestimmten Druckes, um bei hohem Druck die Luftzufuhr abzusperren.
Wenn die Wassermenge, die von der Wasserstoff-/Sauerstoff-Reaktion erzeugt wird, übermäßig groß ist, kann das Entlüftungs-Magnetventil 36 im Winter einfrieren.
Um das obige Problem zu lösen, kann in dem Entlüftungsrohr, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ein mit einem Hitzdraht bestücktes Entlüftungs-Magnetventil 41 bereitgestellt sein. Das heißt, in dem Entlüftungs-Magnetventil 36 kann ein Hitzdraht bereitgestellt sein.
Vor dem mit einem Hitzdraht bestückten Entlüftungs-Magnetventil 41 kann ein Speicherbehälter 42 zum Speichern von Wasser, das von dem Entlüftungsrohr 28 erzeugt wird, befestigt sein, und unter dem Speicherbehälter 42 kann ein mit einem Hitzdraht bestücktes Wasserablauf-Magnetventil 43 bereitgestellt sein, um Wasser aus dem Speicherbehälter 42 abzulassen.
Die Aufnahme des Speicherbehälters 42 und des mit einem Hitzdraht bestückten Wasserablauf-Magnetventils 43 ist auf alle anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anwendbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zwischen dem Luftgebläse 26 und der Brennstoffzelle 10 ein Luftzufuhr-Magnetventil 44 bereitgestellt, um die Luftmenge zu minimieren, die in der Brennstoffzelle 10 reagiert, wodurch die Zeitdauer vermindert wird, während derer die Kathode 14 mit Stickstoff gefüllt ist.
Zu diesem Zeitpunkt misst der Drucksensor 37 den Luftdruck des Entlüftungsrohres 28, und das Steuergerät, das ein Signal erhält, das vom Drucksensor 37 gemessen wird, überträgt ein Steuersignal an das Luftgebläse 26, damit dieses der Brennstoffzelle 10 Luft zuführt, bis ein vorbestimmter Druck erreicht wird. Wenn der vorbestimmte Druck erreicht wird, wird der Betrieb des Luftgebläses 26 eingestellt, und das Entlüftungs-Magnetventil 36 und das Luftzufuhr-Magnetventil 44 werden geschlossen.
Die Aufnahme des Luftzufuhr-Magnetventils 44 ist gleichfalls auf alle anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anwendbar.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Energie speichernde und Sauerstoff verbrauchende Vorrichtung 45 bereitgestellt, die mit der Brennstoffzelle 10 verbunden ist, um rasch den Sauerstoff in der Luft, der in der Brennstoffzelle 10 reagiert, zu verbrauchen.
Die Energie speichernde und Sauerstoff verbrauchende Vorrichtung 45 umfasst alle elektrischen Bauelemente, die in der Lage sind, Energie zu speichern, wie beispielsweise eine Batterie, einen Superkondensator, etc.
Die Energie speichernde und Sauerstoff verbrauchende Vorrichtung 45 kann auf alle Komponenten im Fahrzeug angewendet werden.
Demgemäß ist es möglich, die Kohlenstoffkorrosion an der Kathode aufgrund der Wasserstoff-/Sauerstoff-Grenzfläche an der Anode zu verhindern, indem durch Verwenden der Energie speichernden und Sauerstoff verbrauchenden Vorrichtung 45 der Sauerstoff in der Luft, der in der Brennstoffzelle reagiert, rasch verbraucht wird.
Wie oben beschrieben wurde, kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Kohlenstoffkorrosion an der Kathode verhindert werden, wodurch die Haltbarkeit und Leistung der Brennstoffzelle verbessert wird.
Die Erfindung wurde anhand bevorzugter Ausführungsformen eingehend beschrieben. Der Fachmann erkennt jedoch, dass Änderungen an diesen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den Grundsätzen und dem Gedanken der Er findung abzuweichen, deren Schutzumfang durch die beigefügten Patentansprüche und ihre Äquivalente definiert wird.

Claims

Vorrichtung zum Verhindern von Kohlenstoffkorrosion an der Kathode einer Brennstoffzelle, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: ein Luftgebläse, das einer Brennstoffzelle Luft aus einer Luftzufuhrquelle zuführt, eine Brennstoffzelle, die Luft von dem Luftgebläse erhält, um durch eine chemische Reaktion Elektrizität zu erzeugen, ein Entlüftungsrohr, durch welches die verbleibende Restluft entlüftet wird, nachdem der Sauerstoff in der Luft durch die chemische Reaktion in der Brennstoffzelle verbraucht worden ist, einen Drucksensor, der zum Messen des Luftdrucks in der Brennstoffzelle in dem Entlüftungsrohr bereitgestellt ist, ein Entlüftungs-Magnetventil, das zum Steuern der Luftströmung des Entlüftungsrohres in dem Entlüftungsrohr bereitgestellt ist, und ein Steuergerät, das durch Empfangen eines Signals, das vom Drucksensor gemessen wird, den Betrieb des Luftgebläses und des Entlüftungs-Magnetventils steuert, wobei das Steuergerät mit Hilfe des Drucksensors den Luftdruck misst und das Luftgebläse der Brennstoffzelle Luft zuführen lässt, bis der Luftdruck einen vorbestimmten Wert erreicht, und dann das Entlüftungs-Magnetventil schließt, bis der Sauerstoff in der Brennstoffzelle vollständig verbraucht ist, wodurch die Ausbildung einer Wasserstoff-/Sauerstoff-Grenzfläche an der Anode der Brennstoffzelle verhindert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin ein Druckentlastungsventil (PRV) aufweist, das zwischen dem Drucksensor und dem Entlüftungs-Magnetventil bereitgestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin Folgendes aufweist: einen Speicherbehälter, der in dem Entlüftungsrohr bereitgestellt ist, um Wasser zu speichern, das durch das Entlüftungsrohr abgelassen wird, und ein Wasserablauf-Magnetventil, das unter dem Speicherbehälter bereitgestellt ist, um das in dem Speicherbehälter gespeicherte Wasser abzulassen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Entlüftungs-Magnetventil mit einem Hitzdraht bestückt ist, um zu verhindern, dass das Entlüftungs-Magnetventil aufgrund von Wasser einfriert, wenn die Temperatur unter null Grad fällt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Wasserablauf-Magnetventil mit einem Hitzdraht bestückt ist, um zu verhindern, dass das Wasserablauf-Magnetventil aufgrund von Wasser einfriert, wenn die Temperatur unter null Grad fällt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiter ein Luftzufuhr-Magnetventil aufweist, das zwischen dem Luftgebläse und der Brennstoffzelle bereitgestellt ist, um die Luftmenge, die bei der chemischen Reaktion in der Brennstoffzelle verbraucht wird, zu minimieren, wodurch die Zeitdauer, in welcher die Kathode mit Stickstoff gefüllt ist, vermindert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin eine Energie speichernde und Sauerstoff verbrauchende Vorrichtung aufweist, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist, um rasch den Sauerstoff zu verbrauchen, der in der Luft enthalten ist, die in die Brennstoffzelle eingespeist wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, die weiterhin Folgendes aufweist: einen Speicherbehälter, der in dem Entlüftungsrohr bereitgestellt ist, um Wasser zu speichern, das durch das Entlüftungsrohr abgelassen wird, und ein Wasserablauf-Magnetventil, das unter dem Speicherbehälter bereitgestellt ist, um das Wasser aus dem Speicherbehälter abzulassen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Entlüftungs-Magnetventil mit einem Hitzdraht bestückt ist, um zu verhindern, dass das Entlüftungs-Magnetventil aufgrund von Wasser einfriert, wenn die Temperatur unter null Grad fällt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Wasserablauf-Magnetventil mit einem Hitzdraht bestückt ist, um zu verhindern, dass das Wasserablauf-Magnetventil aufgrund von Wasser einfriert, wenn die Temperatur unter null Grad fällt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, die weiterhin ein Luftzufuhr-Magnetventil aufweist, das zwischen dem Luftgebläse und der Brennstoffzelle bereitgestellt ist, um die Luftmenge, die bei der chemischen Reaktion in der Brennstoffzelle verbraucht wird, zu minimieren, wodurch die Zeitdauer, in welcher die Kathode mit Stickstoff gefüllt ist, vermindert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, die weiterhin eine Energie speichernde und Sauerstoff verbrauchende Vorrichtung aufweist, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist, um rasch den Sauerstoff zu verbrauchen, der in der Luft enthalten ist, die in die Brennstoffzelle eingespeist wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, die weiterhin ein Luftzufuhr-Magnetventil aufweist, das zwischen dem Luftgebläse und der Brennstoffzelle bereitgestellt ist, um die Luftmenge, die bei der chemischen Reaktion in der Brennstoffzelle verbraucht wird, zu minimieren, wo durch die Zeitdauer, in welcher die Kathode mit Stickstoff gefüllt ist, vermindert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, die weiter eine Energie speichernde und Sauerstoff verbrauchende Vorrichtung aufweist, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist, um rasch den Sauerstoff zu verbrauchen, der in der Luft enthalten ist, die in die Brennstoffzelle eingespeist wird.