DE102008006736B4

DE102008006736B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102008006736B4
Application number: DE102008006736A
Authority: DE
Inventors: Glenn W. Skala
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2008-01-30
Publication date: 2013-12-24
Anticipated expiration: 2028-01-31
Also published as: US8974976B2; DE102008006736A1; US20080182148A1

Abstract

Brennstoffzellensystem, das umfasst:
einen ersten Unterstapel, der einen Anodeneingang und einen Anodenausgang aufweist;
einen zweiten Unterstapel, der einen Anodeneingang und einen Anodenausgang aufweist;
mehrere Steuerventile, welche die Strömung eines Anodenreaktantgases zu der Anodenseite des ersten und zweiten Unterstapels auf eine Weise der Umschaltung der Stapelreihenfolge steuern; und
einen ersten Wasserabscheider-Befeuchter, der an dem Anodeneingang des ersten Unterstapels positioniert ist, und einen zweiten Wasserabscheider-Befeuchter, der an dem Anodeneingang des zweiten Unterstapels positioniert ist, wobei flüssiges Wasser in dem Anodenreaktantgas, das von dem Anodenausgang des ersten Unterstapels ausgegeben wird und in den Anodeneingang des zweiten Unterstapels eingegeben wird, durch den zweiten Wasserabscheider-Befeuchter absorbiert wird, flüssiges Wasser in dem Anodenreaktantgas, welches von dem Anodenausgang des zweiten Unterstapels ausgegeben wird und in den Anodeneingang des ersten Unterstapels eingegeben wird, durch den ersten Wasserabscheider-Befeuchter absorbiert wird, frischer Wasserstoff, der dem Anodeneingang des ersten Unterstapels bereitgestellt wird, durch den ersten Wasserabscheider-Befeuchter befeuchtet wird und frischer Wasserstoff, welcher dem zweiten Unterstapel bereitgestellt wird, durch den zweiten Wasserabscheider-Befeuchter befeuchtet wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein System zum Befeuchten eines Reaktantgases, das zu einem Brennstoffzellenstapel befördert wird, und insbesondere ein System zum Befeuchten von Wasserstoff, der an die Anodenseite eines geteilten Brennstoffzellenstapels befördert wird, wobei das System eine Umschaltung der Stapelreihenfolge oder eine Anodenaustragsgasrezirkulation einsetzt und der Wasserstoff durch einen dochtbasierten Wasserabscheider befeuchtet wird.
2. Diskussion des Standes der Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und verwendet werden kann, um in einer Brennstoffzelle effizient Elektrizität zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Einrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem dazwischen befindlichen Elektrolyten umfasst. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen treten durch den Elektrolyten hindurch zu der 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 Elektrolyten hindurchtreten und werden somit durch eine Last hindurchgeleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie zu der Kathode befördert werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind eine beliebte Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst im Allgemeinen eine protonenleitende Festpolymer-Elektrolyt-Membran, wie zum Beispiel eine Perfluorschwefelsäuremembran. Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein verteilte Katalysepartikel, normalerweise Platin (Pt), die an Kohlepartikeln angelagert sind und mit einem Ionomer gemischt sind. Das Katalysegemisch ist auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination des Anodenkatalysegemischs, des Kathodenkatalysegemischs und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
Mehrere Brennstoffzellen werden typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Für den oben erwähnten Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel kann der Stapel zweihundert oder mehr Brennstoffzellen umfassen. Der Brennstoffzellenstapel empfängt ein Kathodenreaktantgas, typischerweise eine Luftströmung, die von einem Kompressor durch den Stapel gedrängt wird. Nicht der gesamte Sauerstoff wird von dem Stapel verbraucht und etwas von der Luft wird als Kathodenaustragsgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt umfassen kann. Der Brennstoffzellenstapel empfängt auch ein Anodenwasserstoffreaktantgas, das in die Anodenseite des Stapels einströmt.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von bipolaren Platten, die zwischen den mehreren MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die bipolaren Platten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für nebeneinander befindliche Brennstoffzellen in dem Stapel. An der Anodenseite der bipolaren Platten werden Anodengasströmungskanäle bereitgestellt, welche es dem Anodenreaktantgas ermöglichen, zu der jeweiligen MEA zu strömen. An der Kathodenseite der bipolaren Platten werden Kathodengasströmungskanäle bereitgestellt, welche es dem Kathodenreaktantgas ermöglichen, zu der jeweiligen MEA zu strömen. Eine Endplatte umfasst Anodengasströmungskanäle und die andere Endplatte umfasst Kathodengasströmungskanäle. Die bipolaren Platten und die Endplatten sind aus einem leitfähigen Material hergestellt, wie zum Beispiel Edelstahl oder einer leitfähigen Zusammensetzung. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die bipolaren Platten umfassen auch Strömungskanäle, durch welche ein Kühlfluid hindurchströmt.
Für Kraftfahrzeuganwendungen benötigt man typischerweise etwa 400 Brennstoffzellen, um die gewünschte Leistung bereitzustellen. Da bei Kraftfahrzeug-Brennstoffzellensystem-Gestaltungen so viele Brennstoffzellen für den Stapel erforderlich sind, wird der Stapel manchmal in zwei Unterstapel geteilt, die jeweils etwa 200 Brennstoffzellen umfassen, da es schwierig ist, eine gleichmäßige Strömung von Wasserstoffgas parallel durch so viele Brennstoffzellen effektiv bereitzustellen.
Die Membranen in einer Brennstoffzelle müssen eine bestimmte relative Feuchtigkeit aufweisen, sodass der ionische Widerstand über die Membran gering genug ist, um effektiv Protonen zu leiten. Diese Befeuchtung kann von dem Stapelwassernebenprodukt oder einer externen Befeuchtung kommen. Die Strömung von Wasserstoff durch die Anodengasströmungskanäle hat eine trocknende Wirkung auf die Membran, am deutlichsten an einem Einlass der Wasserstoffströmung. Ebenso könnte die Ansammlung von Wassertröpfchen in den Anodengasströmungskanälen von der relativen Feuchtigkeit der Membran und dem Wassernebenprodukt verhindern, dass Wasserstoff dort hindurch strömt und bewirken, dass die Zelle wegen geringer Reaktantgasströmung ausfällt, womit die Stapelstabilität beeinträchtigt wird. Die Ansammlung von Wasser in den Reaktantgasströmungskanälen ist bei geringer Stapelausgangsleistung besonders störend.
Im Stand der Technik wurde vorgeschlagen, eine Umschaltung der Stapelreihenfolge in einem Brennstoffzellensystem vorzusehen, welches geteilte Stapel einsetzt. Insbesondere sind geeignete Ventile und Rohrleitungen in dem System vorgesehen, sodass auf eine zyklische Weise das Anodenaustragsgas, das aus einem ersten Unterstapel austritt, zu dem Anodeneingang eines zweiten Unterstapels befördert wird und das Anodenaustragsgas, das aus dem zweiten Unterstapel austritt, zu dem Anodeneingang des ersten Unterstapels befördert wird. Bei dieser bekannten Gestaltung ist der frische Wasserstoff, der dem ersten Unterstapel in der Folge zugeführt wird, trocken und er weist eine Neigung auf, die Membranen an dem Einlass zu trocknen, was die oben diskutierten Stabilitätsprobleme verursachen könnte.
Ferner ist es aus den Druckschriften DE 10 2007 032 528 A1 , DE 102 04 124 A1 . und DE 103 04 657 A1 bekannt, dem Anodenauslassgas Feuchte mittels eines Wasserabscheiders zu entziehen, die gemäß der letztgenannten Druckschrift dem zum Anodeneinlass zurückgeführten Anodengas jedoch auch wieder zugeführt werden kann, indem das in dem Wasserabscheider gesammelte Wasser wieder verdunstet wird.
Es ist wünschenswert, dass die Verteilung von Wasserstoff in den Anodenströmungskanälen in einem Brennstoffzellenstapel für einen korrekten Brennstoffzellenstapelbetrieb im Wesentlichen konstant ist. Daher ist es im Stand der Technik bekannt, mehr Wasserstoff in den Brennstoffzellenstapel einzugeben, als für eine bestimmte Ausgangslast des Stapels nötig ist, sodass das Anodengas gleichmäßig verteilt wird. Jedoch ist die Menge von Wasserstoff in dem Anodenaustragsgas wegen dieser Anforderung beträchtlich und würde zu einem geringen Systemwirkungsgrad führen, wenn dieser Wasserstoff verworfen würde. Ferner könnte in ausreichender Menge in die Umgebung abgelassenes Wasserstoffgas wegen der explosiven Natur des Wasserstoffs bestimmte Probleme verursachen. Daher ist es im Stand der Technik bekannt, das Anodenaustragsgas zurück zu dem Anodeneingang zu rezirkulieren, um den verworfenen Wasserstoff wiederzuverwenden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, das sich durch die Merkmale eines der Ansprüche 1, 12, 19 oder 27 auszeichnet.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem offenbart, das einen geteilten Brennstoffzellenstapel einsetzt, wobei frisches Anodengas durch Wasserabscheider-Befeuchter befeuchtet wird. Das Brennstoffzellensystem umfasst mehrere Ventile, die geöffnet und geschlossen werden, um zwischen den geteilten Stapeln eine Umschaltung der Stapelreihenfolge vorzusehen, sodass die Strömung von Wasserstoff durch die Stapel immer in derselben Richtung verläuft. Ein Wasserabscheider-Befeuchter ist an dem Anodeneinlass zu beiden geteilten Stapeln vorgesehen, möglicherweise in dem Anodeneinlasskrümmer oder dem nicht aktiven Bereich der Brennstoffzelle, um die Befeuchtung bereitzustellen. Wenn die Ventile selektiv geöffnet und geschlossen werden, um einem ersten Stapel frischen Wasserstoff bereitzustellen, wird das befeuchtete Anodengas von dem Ausgang des ersten Stapels verwendet, um den Wasserabscheider-Befeuchter an dem Eingang zu dem zweiten Stapel in der Folge zu befeuchten. Wenn die Reihenfolge der Stapel umgeschaltet wird und der frische trockene Wasserstoff dem zweiten Stapel in der Folge bereitgestellt wird, wird der angefeuchtete Wasserabscheider-Befeuchter an dem Eingang zu dem zweiten Stapel verwendet, um den frischen Wasserstoff zu befeuchten, und das befeuchtete Anodengas von dem Ausgang des zweiten Stapels wird verwendet, um den Wasserabscheider-Befeuchter an dem Eingang zu dem ersten Stapel anzufeuchten.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform setzt das Brennstoffzellensystem eine Anodenaustragsgasrezirkulation ein, wobei das Anodenaustragsgas zurück zu dem Anodeneingang rezirkuliert wird. Bei dieser Gestaltung umfasst das System einen Wasserabscheider-Befeuchter, der Wasser absorbiert, wenn die relative Feuchtigkeit des Anodenaustragsgases hoch ist, und der dem Anodenrezirkulationsgas Wasser bereitstellt, wenn die relative Feuchtigkeit des Anodenaustragsgases gering ist. Gemäß einer bestimmten Gestaltung befindet sich der Wasserabscheider-Befeuchter stromaufwärts einer Rezirkulationspumpe.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellenstapels, der eine Umschaltung der Stapelreihenfolge einsetzt, wobei gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Wasserabscheider-Befeuchter an dem Anodeneingang zu beiden Unterstapeln vorgesehen ist;
2 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines der Wasserabscheider-Befeuchter, die in dem System in 1 gezeigt sind;
3 ist eine Querschnittsendansicht eines Wasserabscheider-Befeuchters gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Querschnittsansicht eines Brennstoffzellenstapels, die einen dochtbasierten Befeuchter in einem nicht aktiven Bereich einer Brennstoffzelle in dem Stapel an dem Anodeneinlass zeigt; und
5 ist eine schematische Draufsicht auf ein Brennstoffzellensystem, das eine Anodenrückführungspumpe sowie Wasserabscheider-Befeuchter zum Befeuchten des rezirkulierten Anodenaustragsgases, welches dem Anodeneingang zugeführt wird, einsetzt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die nachfolgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, welche auf ein Brennstoffzellensystem gerichtet ist, das eine Umschaltung der Stapelreihenfolge oder eine Anodenaustragsgasrezirkulation sowie eine Anodeneinlassgasbefeuchtung vorsieht, ist lediglich beispielhafter Natur.
1 ist ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellensystems 10, das einen ersten Unterstapel 12 und einen zweiten Unterstapel 14 umfasst. Wie unten detaillierter diskutiert wird, setzt das System 10 eine Umschaltung der Stapelreihenfolge ein, bei der die Strömung des Anodengases immer in der gleichen Richtung durch die Unterstapel 12 und 14 verläuft, aber umgeschaltet wird, je nachdem, welcher Stapel den frischen Wasserstoff empfängt. Das System 10 umfasst ein erstes Eingangssteuerventil 18 an dem Anodeneingang des Unterstapels 12 und ein zweites Eingangssteuerventil 20 an dem Anodeneingang des Unterstapels 14. Ein erstes Ablassventil 22 ist an dem Anodenausgang des Unterstapels 12 vorgesehen und ein zweites Ablassventil 24 ist an dem Anodenausgang des Unterstapels 14 vorgesehen. Ein Steuerventil 26 ist zwischen dem Anodenausgang des Unterstapels 14 und dem Anodeneingang des Unterstapels 12 vorgesehen und ein Steuerventil 28 ist zwischen dem Anodenausgang des Unterstapels 12 und dem Anodeneingang des Unterstapels 14 vorgesehen.
Wie oben erwähnt wird die Reihenfolge in Bezug darauf, ob der Unterstapel 12 oder 14 den frischen Wasserstoff empfängt, mit einem vorbestimmten Arbeitszyklus umgeschaltet. Insbesondere werden während eines Zyklus die Ventile 18, 28 und 24 geöffnet und die Ventile 20, 26 und 22 werden geschlossen. Bei dieser Konfiguration wird frischer Wasserstoff auf Leitung 32 durch das Steuerventil 18 hindurch zu dem Unterstapel 12 befördert. Anodenaustragsgas tritt auf Leitung 34 aus dem Unterstapel 12 aus, strömt durch das Steuerventil 28 hindurch und tritt auf Leitung 36 in den Anodeneingang des Unterstapels 14 ein. Das Anodenaustragsgas von dem Unterstapel 14 kann dann durch das Ablassventil 24 von dem System 10 abgelassen werden. In dieser Ausrichtung wird frischer trockener Wasserstoff mit einer Kathodenstöchiometrie von größer als Zwei dem Unterstapel 12 zugeführt und befeuchteter Wasserstoff an dem Ausgang des Unterstapels 12 wird mit einer Kathodenstöchiometrie von etwa Eins in den Unterstapel 14 eingegeben.
Wenn die Stapelreihenfolge umgeschaltet wird, werden die Ventile 18, 28 und 24 geschlossen und die Ventile 20, 26 und 22 werden geöffnet. Frischer Wasserstoff wird durch das Steuerventil 20 zu dem Anodeneingang des Unterstapels 14 befördert, er tritt auf Leitung 38 aus dem Unterstapel 14 aus, geht durch das Steuerventil 26 und die Leitung 32 in den Anodeneingang des Unterstapels 12 und tritt auf Leitung 34 aus dem Unterstapel 12 aus, um durch das Ablassventil 22 abgelassen zu werden. In dieser Ausrichtung wird frischer trockener Wasserstoff dem Unterstapel 14 zugeführt, und befeuchteter Wasserstoff auf der Leitung 38 wird dem Unterstapel 12 zugeführt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform können die Steuerventile 26 und 28 durch passive Rückschlagventile ersetzt werden. Eine Umschaltung der Stapelreihenfolge wie oben diskutiert bei einem angemessenen Arbeitszyklus ist den Fachleuten wohlbekannt.
Erfindungsgemäß ist ein erster Wasserabscheider-Befeuchter 44 in der Leitung 32 an dem Eingang des Unterstapels 12 vorgesehen und ein zweiter Wasserabscheider-Befeuchter 46 ist in der Leitung 36 an dem Eingang des Unterstapels 14 vorgesehen. Daher befeuchtet der Befeuchter 44, wenn der frische Wasserstoff dem Unterstapel 12 auf der Leitung 32 bereitgestellt wird und befeuchteter Wasserstoff dem Unterstapel 14 auf der Leitung 36 bereitgestellt wird, den trockenen Wasserstoff und der Befeuchter 46 absorbiert Wasser von dem befeuchteten Wasserstoff an dem Ausgang des Unterstapels 12 auf der Leitung 34. Gleichermaßen befeuchtet der Befeuchter 46, wenn der frische Wasserstoff dem Unterstapel 14 bereitgestellt wird und befeuchteter Wasserstoff dem Unterstapel 12 auf der Leitung 32 bereitgestellt wird, den trockenen Wasserstoff und der Befeuchter 44 absorbiert Wasser von dem befeuchteten Wasserstoff an dem Ausgang des Unterstapels 14 auf der Leitung 38. Daher wird einer der Befeuchter 44 und 46, wenn die Reihenfolge der Unterstapel 12 und 14 zurück und vor geschaltet wird, feucht, um eine Befeuchtung für den nächsten Zyklus vorzusehen, und einer der Befeuchter, der von dem vorhergehenden Zyklus feucht gemacht wurde, befeuchtet den frischen Wasserstoff.
Durch Vorsehen der Befeuchter 44 und 46 vor den Anodeneinlässen der Unterstapel 12 bzw. 14 werden flüssige Wassertröpfchen, die sich in dem Anodenaustragsgas von dem anderen Unterstapel befinden können, von den Befeuchtern 44 und 46 absorbiert und sie treten nicht in die Anodenreaktantgasströmungskanäle ein, was möglicherweise Zellenstabilitätsprobleme verursachen könnte.
Die Befeuchter 44 und 46 können beliebige für die hier beschriebenen Zwecke geeignete Befeuchter sein. Gemäß einer Ausführungsform sind die Befeuchter 44 und 46 dochtbasierte Wasserabscheider, die ein Dochtmaterial verwenden, um Wasser zu absorbieren, das dann verwendet werden kann, um eine Gasströmung zu befeuchten. 2 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines dochtbasierten Wasserabscheiders 50, der für diesen Zweck geeignet ist und der für die Befeuchter 44 und 46 verwendet werden kann. Der Wasserabscheider 50 umfasst mehrere gewellte Wände 52, die durch Platten 54 getrennt sind, wobei die Wände 52 und die Platten 54 aus einem geeigneten hydrophilen porösen Material hergestellt sind, welches Wasser absorbiert. Das Reaktantgas strömt zwischen den gewellten Wänden 52 und den Platten 54 die Kanäle 56 hinab, wo es von diesen Wasserdampf absorbiert. Wasser wird während einer feuchten Strömung leicht in die gewellten Wände 52 transportiert und verdampft während einer trockenen Wasserstoffströmung von den Oberflächen. Die Größe und Anzahl der Riffelungen und die Länge der Riffelungen kann in Abhängigkeit von den Wasserabscheider-/Verdampfungserfordernissen und/oder den Druckabfallanforderungen variiert werden. Die Dicke der gewellten Wände 52 könnte ebenfalls aus den gleichen Gründen passend gemacht sein.
Die dochtbasierte Wasserabscheidergestaltung ist auf eine planare Gestaltung oder eine spiralartig gewickelte Gestaltung anwendbar. Die spiralartig gewickelte Gestaltung kann in eine zylindrische Röhre ähnlich der Rohrleitung eingesetzt werden, welche die Wasserstoffströmung in die Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels bringt. Es ist auch vorstellbar, dass zylindrische oder rechteckige Geometrien von einem angemessen extrudierbaren porösen hydrophilen Material extrudiert werden können. 3 ist eine Endansicht eines Wasserabscheider-Befeuchters 48, der Kanäle 58 und wasserabsorbierende Wände 78 zwischen diesen umfasst, welche diese Art der Gestaltung zeigt. Das feuchte Gas strömt die Kanäle 58 hinab, um es der Wand 78 zu ermöglichen, die Feuchtigkeit zu absorbieren, und das trockene zu befeuchtende Gas strömt dann die Strömungskanäle 58 hinab, um von den befeuchteten Wänden 78 Wasser zu absorbieren.
Die Befeuchter 44 und 46 sind an der Einlassseite der Unterstapel 12 bzw. 14 gezeigt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform können die Befeuchter 44 und 46 in den Unterstapeln 12 und 14 vorgesehen sein, entweder in dem Einlasskrümmer an der Anodenseite oder in dem nicht aktiven Bereich der Brennstoffzellen selbst vor dem aktiven Gebiet der Brennstoffzellen, in Abhängigkeit von der bestimmten Stapelgestaltung. Durch Setzen der Befeuchter 44 und 46 in die Unterstapel 12 bzw. 14 kann die Absorption von flüssigem Wasser von dem befeuchteten Wasserstoff als eine Folge der Erhöhung der durch den Betrieb der Unterstapel 12 und 14 bereitgestellten Wärme erhöht werden.
4 ist eine Querschnittsansicht eines Brennstoffzellenstapels 60, der diese Ausführungsform der Erfindung zeigt. Der Brennstoffzellenstapel 60 umfasst einen Anodeneinlasskrümmer 62, einen Anodenauslasskrümmer 64, einen Kathodeneinlasskrümmer 66, einen Kathodenauslasskrümmer 68, einen Kühlmitteleinlasskrümmer 70, einen Kühlmittelauslasskrümmer 72 und ein aktives Gebiet 74 der Brennstoffzelle. Bei dieser Gestaltung sind nicht aktive Brennstoffbereiche 76 zwischen den Krümmern und dem aktiven Gebiet 74 der Brennstoffzelle vorgesehen. Durch Platzieren eines dochtbasierten Befeuchters 80 in den nicht aktiven Bereich nahe dem Anodeneinlasskrümmer 62 kann der frische Wasserstoff vor dem Erreichen des aktiven Gebiets 74 der Brennstoffzelle befeuchtet werden und der Befeuchter 80 kann auf die oben diskutierte Weise Wasser absorbieren.
Bei dieser Ausführungsform wird der Befeuchter 80 durch die Stapelkühlmittelströmung durch den Kühlmittelauslasskrümmer 72 hindurch aufgewärmt, wodurch Wärme zur Verdampfung bereitgestellt wird. Dies wiederum verringert die Wärmemenge, welche von dem Radiator (nicht gezeigt) in dem thermischen Untersystem abgeführt wird, wodurch die Größe des Radiators verringert wird. Um zum Beispiel ausreichend Wasser zu verdampfen, um die Anodenströmung eines 110 kW-Brennstoffzellenstapels auf eine relative Feuchtigkeit von 40% bei 80°C zu befeuchten, benötigt man etwa 11 kW Wärme. Wenn die Wärme nicht bereitgestellt wird, kühlt der dochtbasierte Befeuchter ab, wodurch seine Fähigkeit verringert wird, mehr Wasser zu verdampfen, womit das Niveau der Befeuchtung verringert wird. Diese Werte gelten für einen Dauerzustand, wobei eine weitere Analyse notwendig wäre, um die Absorption von Wasser in dem zyklisch durchlaufenden Modus zu verstehen.
Die obenstehende Diskussion betrifft das Befeuchten von frischem Wasserstoff in einer Stapelumschaltungsgestaltung. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das gleiche Prinzip des Befeuchtens von frischem Wasserstoff, welcher der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, für eine Anodenströmungsverstellungs-Gestaltung vorgesehen sein, bei welcher die Strömung des Wasserstoffreaktantgases zwischen den geteilten Stapeln auf eine zyklische Weise umgekehrt wird. Eine Gestaltung für die Anodenströmungsverstellung umfasst zwei Stapel mit in Reihe verbundenen Anodenkanälen, bei welcher die Anodenströmung durch die Stapel hindurch zyklisch rückwärts und vorwärts geschaltet wird, was abwechselnd eine Kathodenstöchiometrie von Zwei und eine Kathodenstöchiometrie von Eins in den beiden Stapeln zur Folge hat. Wenn sich die Strömung in dem umgekehrten Modus befindet, bei welchem sie aus dem Reaktanteinlass eines stromabwärts gelegenen Stapels austritt, umfasst sie etwas flüssiges Wasser, das in einem Wasserabscheider-Befeuchter aufgefangen werden kann. Umgekehrt strömt die frische Wasserstoffversorgung in dem vorwärts gerichteten Strömungsmodus über den Wasserabscheider-Befeuchter und in den nun stromaufwärts gelegenen Stapel hinein, wobei sie vor dem Eintreten in die Anode des Stapels befeuchtet wird.
Die obenstehende Diskussion betrifft auch das Befeuchten des Anodengases für die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels. Es ist jedoch auch notwendig, die Kathodenluftströmung zu der Kathodenseite des Stapels in einer ähnlichen Strömungsgestaltung zu befeuchten. Deshalb kann sich ein dochtbasierter Wasserabscheider-Befeuchter auch an oder nahe dem Kathodeneinlass von geteilten Stapeln befinden, wobei entweder eine Stapelumschaltung oder eine umgekehrte Strömung zu dem gleichen Zweck eingesetzt wird.
Ein Wasserabscheider-Befeuchter-Puffer der obenstehend diskutierten Art kann in einem Brennstoffzellensystem, welches die Anodenaustragsgasrückführung einsetzt, effektiv verwendet werden. Obgleich die Anodenaustragsgasrückführung bei einer geteilten Stapelgestaltung ausgeführt werden kann, ist es im Allgemeinen praktischer, es bei einer nicht geteilten Gestaltung anzuwenden. Die Anodenaustragsgasrückführung wird verwendet, um eine einheitliche Anodengasverteilung aufrecht zu erhalten und eine Technik zum Beseitigen von flüssigem Wasser von den Anodenströmungskanälen bei niedrigen Leistungsbedingungen, das heißt geringen Einlasswasserstoffströmungen, bereitzustellen.
Es wurde gefunden, dass Brennstoffzellensysteme, welche eine Anodenaustragsgasrückführung einsetzen, eine intermittierende Zweiphasenströmung in der Anodenrückführungsschleife erfahren. Es wurde ebenfalls gefunden, dass Kondensationsbedingungen, welche stromaufwärts auftreten können, es der Zweiphasenströmung ermöglichen können, stromabwärts zu bestehen, auch wenn das lokale Wasser-zu-Luft-Verhältnis unter Gleichgewichtsbedingungen untersättigt ist. Dies liegt an der Unfähigkeit des flüssigen Wassers, in der kurzen Zeit, in der es sich von der stromaufwärts gelegenen Seite zu der stromabwärts gelegenen Seite bewegt hat, wieder zu verdampfen.
Gleichzeitig kann ein Ort eines gastragenden Abschnitts eines Brennstoffzellensystems aufgrund von Temperatur- und/oder Druckausschlägen von untersättigten zu übersättigten Bedingungen ausschlagen. Dies kann während Leistungsübergängen, Änderungen des Umgebungsluftdrucks, Kühlmitteltemperatur-Steuerungsvariationen oder während Systemkaltstarts auftreten.
Das flüssige Wasser in der rückgeführten Anodenaustragsgasströmung kann Probleme in der Rückführungspumpeinrichtung und/oder dem Brennstoffzellenstapel entweder in flüssiger Form oder unter Gefrierbedingungen verursachen. Ein Einsetzen eines dochtbasierten Wasserabscheider-Befeuchters stromaufwärts der Rückführungspumpeinrichtung fängt die Wassertröpfchen in dem Anodenrückführungsstrom während feuchter Betriebsbedingungen ab und stellt dann während trockener Betriebsbedingungen große Oberflächenbereiche für die Verdampfung des aufgefangenen Wassers bereit Wie bei anderen Ausführungsformen kann der dochtbasierte Wasserabscheider-Befeuchter eine diskrete Einrichtung vor der Anodenrückführungspumpeinrichtung sein oder in die Zellengestaltung integriert sein, vorzugsweise in dem Anodenaustrittsbereich für den Fall der Anodenaustragsgasrückführung.
5 ist eine schematische Draufsicht auf ein Brennstoffzellensystem 90, das einen Brennstoffzellenstapel 92 umfasst. Das Brennstoffzellensystem 10 setzt eine Anodenaustragsgasrückführung ein, bei welcher das von dem Brennstoffzellenstapel 92 ausgestoßene Anodenaustragsgas von einer Rezirkulationspumpe 96 durch eine Anodenaustragsrezirkulationsschleife 94 hindurch zu dem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 92 zurückgepumpt wird. Eine Wasserstoffquelle 98 stellt in Abhängigkeit von der aktuellen Last des Stapels 92 der Rezirkulationsschleife 94 in einer geeigneten Mischeinrichtung (nicht gezeigt) frischen Wasserstoff bereit, wie durch Fachleute gut verstanden ist.
Wie oben diskutiert gibt es bestimmte Systembetriebsbedingungen, bei welchen die relative Feuchtigkeit des Anodenaustragsgases hoch ist, typischerweise über 100%, und bestimmte Betriebsbedingungen, bei denen die relative Feuchtigkeit des Anodenaustragsgases gering ist, wie zum Beispiel während Leistungsübergängen, Änderungen des Umgebungsluftdrucks, Stapelkühlmitteltemperatur-Steuerungsvariationen, Systemkaltstarts etc. Es ist typischerweise wünschenswert, die Wassertröpfchen in dem Anodenaustragsgas zu entfernen, bevor dieses zurück zu dem Anodeneinlass rezirkuliert wird, aus verschiedenen Gründen, wie zum Beispiel deshalb, weil Wasser die Anodenströmungskanäle in dem Stapel 92 blockieren kann und Wasser in dem Rezirkulationssystem während Gefrierbedingungen Probleme verursachen kann. Eine bestimmte Menge an relativer Feuchtigkeit ist jedoch wünschenswert, damit das Anodeneinlassgas das Aufrechterhalten der Membranfeuchtigkeit für einen korrekten Brennstoffzellenstapelbetrieb unterstützen kann.
Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung kann ein dochtbasierter Wasserabscheider-Befeuchter, wie zum Beispiel die oben diskutierten Befeuchter 44 und 46, verwendet werden, um während jener Zeiten, in denen die relative Feuchtigkeit des Anodenaustragsgases hoch ist, in dem Anodenrezirkulationsgas Wasser zu absorbieren und dieses Wasser in dem Wasserabscheider-Befeuchter zu verwenden, um das Rezirkulationsgas während jener Zeiten, in denen die relative Feuchtigkeit des Anodenrezirkulationsgases gering ist, zu befeuchten.
Das Brennstoffzellensystem 90 umfasst zwei Wasserabscheider-Befeuchter 100 und 102 in der Anodenaustragsgasrezirkulationsschleife 94. Die vorliegende Erfindung schlägt vor, eine dieser Einrichtungen in der Rezirkulationsschleife 94 für die hier diskutierten Zwecke in Abhängigkeit von einer bestimmten Anwendung zu verwenden. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, den Wasserabscheider-Befeuchter 100 stromabwärts der Rezirkulationspumpe 96 zu verwenden, sodass der frische und gewöhnlicherweise trockene Wasserstoff von der Wasserstoffquelle 98 durch den Wasserabscheider-Befeuchter 100 befeuchtet wird. Bei dieser Gestaltung geht jedoch das feuchte Anodenrezirkulationsgas durch die Rezirkulationspumpe 96 hindurch, was Probleme bei dem Betrieb der Pumpe 96 verursachen kann. Deshalb kann es bei einigen Gestaltungen wünschenswert sein, den Wasserabscheider-Befeuchter 102 stromaufwärts der Rezirkulationspumpe 96 anzuordnen. Alternativ kann der Wasserabscheider-Befeuchter in einem Anodenaustragsgaskrümmer des Stapels 92 positioniert sein.

Claims

Brennstoffzellensystem, das umfasst: einen ersten Unterstapel, der einen Anodeneingang und einen Anodenausgang aufweist; einen zweiten Unterstapel, der einen Anodeneingang und einen Anodenausgang aufweist; mehrere Steuerventile, welche die Strömung eines Anodenreaktantgases zu der Anodenseite des ersten und zweiten Unterstapels auf eine Weise der Umschaltung der Stapelreihenfolge steuern; und einen ersten Wasserabscheider-Befeuchter, der an dem Anodeneingang des ersten Unterstapels positioniert ist, und einen zweiten Wasserabscheider-Befeuchter, der an dem Anodeneingang des zweiten Unterstapels positioniert ist, wobei flüssiges Wasser in dem Anodenreaktantgas, das von dem Anodenausgang des ersten Unterstapels ausgegeben wird und in den Anodeneingang des zweiten Unterstapels eingegeben wird, durch den zweiten Wasserabscheider-Befeuchter absorbiert wird, flüssiges Wasser in dem Anodenreaktantgas, welches von dem Anodenausgang des zweiten Unterstapels ausgegeben wird und in den Anodeneingang des ersten Unterstapels eingegeben wird, durch den ersten Wasserabscheider-Befeuchter absorbiert wird, frischer Wasserstoff, der dem Anodeneingang des ersten Unterstapels bereitgestellt wird, durch den ersten Wasserabscheider-Befeuchter befeuchtet wird und frischer Wasserstoff, welcher dem zweiten Unterstapel bereitgestellt wird, durch den zweiten Wasserabscheider-Befeuchter befeuchtet wird.
System nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Wasserabscheider-Befeuchter dochtbasierte Wasserabscheider-Befeuchter sind.
System nach Anspruch 2, wobei der erste und der zweite Wasserabscheider-Befeuchter gewellte Wände umfassen, welche flüssiges Wasser dort absorbieren, wo das Anodenreaktantgas zwischen den Wänden strömt.
System nach Anspruch 2, wobei der erste und der zweite Wasserabscheider-Befeuchter kreisförmige Wasserabscheider-Befeuchter sind, die ringförmige Strömungskanäle umfassen.
System nach Anspruch 1, wobei der erste Wasserabscheider-Befeuchter außerhalb des ersten Unterstapels positioniert ist und der zweite Wasserabscheider-Befeuchter außerhalb des zweiten Unterstapels positioniert ist.
System nach Anspruch 1, wobei der erste Wasserabscheider-Befeuchter in einem Anodeneinlasskrümmer des ersten Unterstapels positioniert ist und der zweite Wasserabscheider-Befeuchter in einem Anodeneinlasskrümmer des zweiten Unterstapels positioniert ist.
System nach Anspruch 1, wobei der erste Wasserabscheider-Befeuchter in einem nicht aktiven Bereich des ersten Unterstapels neben einer Kühlfluidströmung positioniert ist und der zweite Wasserabscheider-Befeuchter in einem nicht aktiven Bereich des zweiten Unterstapels neben einer Kühlfluidströmung positioniert ist.
System nach Anspruch 1, wobei die mehreren Ventile ein erstes Ablassventil an dem Ausgang des ersten Unterstapels und ein zweites Ablassventil an dem Ausgang des zweiten Unterstapels umfassen, wobei das erste Ablassventil geschlossen wird und das zweite Ablassventil geöffnet wird, wenn frischer Wasserstoff dem ersten Unterstapel bereitgestellt wird, und das erste Ablassventil geöffnet wird und das zweite Ablassventil geschlossen wird, wenn frischer Wasserstoff dem zweiten Unterstapel bereitgestellt wird.
System nach Anspruch 1, wobei die mehreren Ventile Umschaltventile umfassen, die zwischen dem ersten und dem zweiten Unterstapel positioniert sind.
System nach Anspruch 9, wobei die Umschaltventile passive Rückschlagventile sind.
System nach Anspruch 1, wobei das System sich auf einem Fahrzeug befindet.
Brennstoffzellensystem, das umfasst: einen ersten Unterstapel, der einen Anodeneingang und einen Anodenausgang umfasst; einen zweiten Unterstapel, der einen Anodeneingang und einen Anodenausgang umfasst; eine erste Kreuzleitung, welche den Anodenausgang des ersten Unterstapels und den Anodeneingang des zweiten Unterstapels verbindet; eine zweite Kreuzleitung, die den Anodenausgang des zweiten Unterstapels und den Anodeneingang des ersten Unterstapels verbindet, ein erstes Eingangsventil, das eine Strömung von frischem Wasserstoff zu dem Anodeneingang des ersten Unterstapels steuert; ein zweites Eingangsventil, das eine Strömung von frischem Wasserstoff zu dem Anodeneingang des zweiten Unterstapels steuert; ein erstes Umschaltventil, das in der ersten Kreuzleitung positioniert ist; ein zweites Umschaltventil, das in der zweiten Kreuzleitung positioniert ist; ein erstes Ablassventil, das mit dem Anodenausgang des ersten Unterstapels gekoppelt ist; ein zweites Ablassventil, das mit dem Anodenausgang des zweiten Unterstapels gekoppelt ist; einen ersten Wasserabscheider-Befeuchter, der an dem Anodeneingang des ersten Unterstapels positioniert ist; und einen zweiten Wasserabscheider-Befeuchter, der an dem Anodeneingang des zweiten Unterstapels positioniert ist, wobei das erste und das zweite Eingangsventil, das erste und das zweite Umschaltventil und das erste und das zweite Ablassventil gesteuert werden, um eine Umschaltung der Stapelreihenfolge zwischen dem ersten und dem zweiten Unterstapel vorzusehen, und wobei der erste Wasserabscheider-Befeuchter eine Befeuchtung für den frischen Wasserstoff bereitstellt, der dem ersten Unterstapel zugeführt wird, und Wasser absorbiert, wenn frischer Wasserstoff dem zweiten Unterstapel bereitgestellt wird, und der zweite Wasserabscheider-Befeuchter eine Befeuchtung für den frischen Wasserstoff vorsieht, der dem zweiten Unterstapel zugeführt wird, und Wasser absorbiert, wenn der frische Wasserstoff dem ersten Unterstapel zugeführt wird.
System nach Anspruch 12, wobei der erste und der zweite Wasserabscheider-Befeuchter dochtbasierte Wasserabscheider-Befeuchter sind.
System nach Anspruch 13, wobei der erste und der zweite Wasserabscheider-Befeuchter gewellte Wände umfassen, welche flüssiges Wasser dort absorbieren, wo das Anodenreaktantgas zwischen den Wänden strömt.
System nach Anspruch 13, wobei der erste und der zweite Wasserabscheider-Befeuchter kreisförmige Wasserabscheider-Befeuchter sind, die ringförmige Strömungskanäle umfassen.
System nach Anspruch 12, wobei der erste Wasserabscheider-Befeuchter außerhalb des ersten Unterstapels positioniert ist und der zweite Wasserabscheider-Befeuchter außerhalb des zweiten Unterstapels positioniert ist.
System nach Anspruch 12, wobei der erste Wasserabscheider-Befeuchter in einem Anodeneinlasskrümmer des ersten Unterstapels positioniert ist und der zweite Wasserabscheider-Befeuchter in einem Anodeneinlasskrümmer des zweiten Unterstapels positioniert ist.
System nach Anspruch 12, wobei der erste Wasserabscheider-Befeuchter in einem nicht aktiven Bereich des ersten Unterstapels neben einer Kühlfluidströmung positioniert ist und der zweite Wasserabscheider-Befeuchter in einem nicht aktiven Bereich des zweiten Unterstapels neben einer Kühlfluidströmung positioniert ist.
Brennstoffzellensystem, das umfasst: einen ersten Stapel, der einen Reaktantgaseingang und einen Reaktantgasausgang umfasst; einen zweiten Stapel, der einen Reaktantgaseingang und einen Reaktantgasausgang umfasst; mehrere Steuerventile, welche die Strömung eines Reaktantgases zu den Reaktantgaseingängen und -ausgängen des ersten und des zweiten Unterstapels steuern; und einen ersten Wasserabscheider-Befeuchter, der an dem Reaktantgaseingang des ersten Stapels positioniert ist und einen zweiten Wasserabscheider-Befeuchter, der an dem Reaktantgaseingang des zweiten Stapels positioniert ist, wobei flüssiges Wasser in dem Reaktantgasausgang von einem der Stapel durch einen der Wasserabscheider-Befeuchter absorbiert wird und frischer Wasserstoff, welcher einem der Stapel bereitgestellt wird, durch einen der Wasserabscheider-Befeuchter befeuchtet wird.
System nach Anspruch 19, wobei der erste und der zweite Wasserabscheider-Befeuchter dochtbasierte Wasserabscheider-Befeuchter sind.
System nach Anspruch 20, wobei der erste und der zweite Wasserabscheider-Befeuchter gewellte Wände umfassen, welche flüssiges Wasser dort absorbieren, wo das Reaktantgas zwischen den Wänden strömt.
System nach Anspruch 20, wobei der erste und der zweite Wasserabscheider-Befeuchter kreisförmige Wasserabscheider-Befeuchter sind, welche ringförmige Strömungskanäle umfassen.
System nach Anspruch 19, wobei der erste Befeuchter außerhalb des ersten Unterstapels positioniert ist und der zweite Befeuchter außerhalb des zweiten Unterstapels positioniert ist.
System nach Anspruch 19, wobei der erste Wasserabscheider-Befeuchter in einem Einlasskrümmer des ersten Unterstapels positioniert ist und der zweite Wasserabscheider-Befeuchter in einem Einlasskrümmer des zweiten Unterstapels positioniert ist.
System nach Anspruch 19, wobei der erste Wasserabscheider-Befeuchter in einem nicht aktiven Bereich des ersten Unterstapels neben einer Kühlfluidströmung positioniert ist und der zweite Wasserabscheider-Befeuchter in einem nicht aktiven Bereich des zweiten Unterstapels neben einer Kühlfluidströmung positioniert ist.
System nach Anspruch 19, wobei das Reaktantgas Wasserstoff ist und die Reaktantgaseingänge Anodeneingänge sind.
Brennstoffzellensystem, das umfasst: einen Brennstoffzellenstapel, der einen Anodeneingang und einen Anodenausgang aufweist; eine Anodenrezirkulationsschleife zum Rezirkulieren von Anodenaustragsgas von dem Anodenausgang zurück zu dem Anodeneingang; eine Rezirkulationspumpe, die in der Rezirkulationsschleife zum Pumpen des Anodenaustragsgases zu dem Anodeneingang positioniert ist; und zwei Wasserabscheider-Befeuchter, von denen ein erster in der Anodenrezirkulationsschleife stromaufwärts der Rezirkulationspumpe positioniert ist und bewirkt, dass Wasserdampf von dem Anodenrezirkulationsgas absorbiert wird, wenn die Feuchtigkeit in dem Rezirkulationsgas hoch ist, und von denen ein zweiter in der Anodenrezirkulationsschleife stromabwärts der Rezirkulationspumpe positioniert ist und bewirkt, dass Wasserdampf in das Anodenrezirkulationsgas abgeführt wird, wenn die Feuchtigkeit des Anodenrezirkulationsgases gering ist.
System nach Anspruch 27, wobei der Wasserabscheider-Befeuchter stromabwärts eines Ortes positioniert ist, an dem frischer Wasserstoff in die Anodenrezirkulationsschleife eingeführt wird.
System nach Anspruch 27, wobei der Wasserabscheider-Befeuchter in einem Anodenaustragsgaskrümmer positioniert ist.
System nach Anspruch 27, wobei der Wasserabscheider-Befeuchter ein dochtbasierter Wasserabscheider-Befeuchter ist.
System nach Anspruch 30, wobei der Wasserabscheider-Befeuchter gewellte Wände umfasst, welche flüssiges Wasser dort absorbieren, wo das Anodenreaktantgas zwischen den Wänden strömt.
System nach Anspruch 30, wobei der Wasserabscheider-Befeuchter ein kreisförmiger Wasserabscheider-Befeuchter ist, der ringförmige Strömungskanäle umfasst.