DE102008027753B4

DE102008027753B4 - Brennstoffzellensystem mit Verwendung von Kathodenabgas zur Anodenrückführung

Info

Publication number: DE102008027753B4
Application number: DE102008027753.3A
Authority: DE
Inventors: Clark G. Hochgraf; Jon R. Sienkowski; John P. Salvador
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-06-14
Filing date: 2008-06-11
Publication date: 2014-07-24
Anticipated expiration: 2028-06-12
Also published as: US20080311441A1; DE102008027753A1

Abstract

Brennstoffzellensystem (48, 102) umfassend: einen Brennstoffzellenstapel (52, 52'') mit einem Kathodenzufuhrkanal (34', 34'') in Fluidverbindung mit einer Oxidationsmittelquelle (39', 39'') und mit einem Anodenzufuhrkanal (40', 40'') in Fluidverbindung mit einer Brennstoffquelle (37', 37''), wobei der Brennstoffzellenstapel (52, 52'') einen Anodenauslasskanal (42', 42'') und einen Kathodenauslasskanal (35', 35'') umfasst; eine Brennstoffrückführungspumpe (56, 56'') in Fluidverbindung mit dem Anodenauslasskanal (42', 42'') und dem Anodenzufuhrkanal (40', 40''); und eine Energie übermittelnde Vorrichtung (62, 62'') in Fluidverbindung mit dem Kathodenauslasskanal (35', 35''), die dafür ausgelegt ist, durch einen Druck darin angetrieben zu werden, wobei die Energie übermittelnde Vorrichtung (62, 62'') dafür ausgelegt ist, einen Betrieb der Brennstoffrückführungspumpe (56, 56'') zu bewirken, um mindestens einen Teil eines Anodenabgases aus dem Anodenauslasskanal (42', 42'') zu dem Anodenzufuhrkanal (40', 40'') zurückzuführen; gekennzeichnet durch ein Steuergerät, das einen Drucksensor aufweist und das eingerichtet ist, um den Druck in dem Kathodenauslasskanal (35', 35'') zu messen; und ein Gegendruckventil (64, 64'') in Fluidverbindung mit dem Kathodenauslasskanal (35', 35'') stromabwärts der Energie übermittelnden Vorrichtung (62, 62''); wobei das Steuergerät ferner eingerichtet ist, um ein Öffnen oder Schließen des Gegendruckventils (64, 64'') zu veranlassen, wenn in dem Kathodenauslasskanal (35', 35'') ein höherer oder niedrigerer Druck als gemessen erwünscht ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie beispielsweise aus der US 2005/0266293 A1 bekannt.
Ferner beschreibt die DE 696 21 793 T2 einen Verbrennungsmotor mit Abgasturbolader und Abgasrückführung.
Hintergrund der Erfindung
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem dazwischen angeordneten Elektrolyten aufweist. Die Anode erhält einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und die Kathode erhält ein Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff oder Luft. Typischerweise sieht ein Hauptwasserstoffeinlasskanal eine Fluidverbindung zwischen einer Wasserstoffquelle und der Anode vor. Es können mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert werden, um einen Sollbetrag elektrischer Leistung zu erzeugen. Ein Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug kann mehrere hundert einzelne Zellen umfassen.
In dem Brennstoffzellenstapel nicht verbrauchter Sauerstoff wird als Kathodenabgas ausgestoßen, das Wasser als Stapelnebenprodukt enthalten kann. In dem Stapel nicht verbrauchter Wasserstoff kann mittels eines Brennstoffrückführungskanals zum Hauptwasserstoffkanal rückgeführt werden. Eine unerwünschte Menge an Stickstoff ist häufig in dem aus der Brennstoffzelle austretenden nicht genutzten Wasserstoff vorhanden. Vor dem erneuten Einleiten des nicht genutzten Wasserstoffs zurück in den Hauptwasserstoffeinlasskanal wird ein Teil des Wasserstoff/Stickstoff-Gemisches an die Atmosphäre abgeführt. Das Ablassen kann zum Beispiel mittels eines Entlüftungsventils ausgeführt werden. Wasserstoff und Stickstoff, die nicht durch das Entlüftungsventil an die Atmosphäre abgeführt werden, können mittels des Brennstoffrückführungskanals erneut zur Hauptwasserstoffzufuhr eingeleitet werden. Der Brennstoffrückführungskanal stellt zwischen dem Ausgang der Brennstoffzelle und dem Hauptwasserstoffeinlasskanal eine Fluidverbindung bereit, um ein erneutes Einleiten von nicht genutztem Wasserstoff zur Anode zu ermöglichen. Typischerweise wird eine elektrische Pumpe zum Rückführen des Wasserstoff/Stickstoff-Gemisches zurück in den Hauptwasserstoffeinlasskanal verwendet.
Nach wie vor besteht das Problem, ein effizientes und kostengünstiges Verfahren zum Wiedereinleiten des nicht genutzten Wasserstoffs zurück in den Hauptwasserstoffstoffeinlasskanal vorzusehen. Der Raum in und um den Brennstoffzellenstapel ist äußerst beschränkt und wertvoll, insbesondere bei Fahrzeuganwendungen. Weiterhin nutzt die zum erneuten Einleiten des ungenutzten Wasserstoffs zurück in den Hauptwasserstoffkanal verwendete elektrische Pumpe von dem Brennstoffzellenstapel erzeugte elektrische Leistung, wodurch der Gesamtwirkungsgrad gemindert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das eine Wasserstoffrückführung unterstützt, wobei Kosten und Gewicht des Systems minimiert werden und eine Brennstoffwirtschaftlichkeit des Systems maximiert werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird mit einem Brennstoffzellensystem gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Es wird ein Verfahren zum Rückführen von Brennstoff in einem Brennstoffzellensystem offenbart, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Vorsehen eines Brennstoffzellenstapels mit einem Anodenzufuhrkanal in Fluidverbindung mit einer Brennstoffzelle, einem Anodenauslasskanal, einem Kathodenzufuhrkanal in Fluidverbindung mit einer Oxidationsmittelquelle und einem Kathodenauslasskanal; Vorsehen einer Brennstoffrückführungspumpe in Fluidverbindung mit dem Anodenauslasskanal; Vorsehen einer Energie übermittelnden Vorrichtung in Fluidverbindung mit dem Kathodenauslasskanal, die dafür ausgelegt ist, durch einen Druck darin angetrieben zu werden; Veranlassen der Energie übermittelnden Vorrichtung, die Brennstoffrückführungspumpe anzutreiben; und Rückführen mindestens eines Teils eines Anodenabgases von dem Anodenauslasskanal zu dem Anodenzufuhrkanal.
Beschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen für den Fachmann anhand der folgenden eingehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform bei Berücksichtigung der Begleitzeichnungen problemlos hervor. Hierbei zeigen:
1 eine perspektivische Explosionsansicht eines Brennstoffzellensystems nach dem Stand der Technik;
2 ein schematisches Flussdiagramm eines Brennstoffzellensystems nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform; und
3 ein schematisches Flussdiagramm eines Brennstoffzellensystems nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die folgende nähere Beschreibung sowie die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Bezüglich der offenbarten und veranschaulichten Verfahren sind die gezeigten Schritte beispielhafter Natur, und somit ist die Reihenfolge der Schritte nicht notwendig oder ausschlaggebend.
1 zeigt einen veranschaulichenden, aus zwei Zellen bestehenden bipolaren PEM-Brennstoffzellenstapel 10 mit einem Paar Membranelektrodeneinheiten (MEAs, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly) 12, 13, die durch eine elektrisch leitende Bipolarplatte 8 voneinander getrennt sind. Die MEAs 12, 13 und die Bipolarplatte 8 sind zwischen einem Paar Klemmplatten 14, 16 und einem Paar unipolarer Endplatten 15, 17 miteinander gestapelt. Die Klemmplatten 14, 16 sind von den unipolaren Endplatten 15, 17 durch eine Dichtung oder eine dielektrische Beschichtung (nicht dargestellt) elektrisch isoliert. Die unipolaren Endplatten 15, 17 sowie beide Arbeitsseiten der Bipolarplatte 8 umfassen mehrere Rillen oder Kanäle 19a, 19b, 19c, 19d, die ein Strömungsfeld zum Verteilen eines Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff, und eines Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, über die Seiten der MEAs 12, 13 ausbilden. Nicht leitende Dichtungen 26, 27, 28, 29 sehen Abdichtungen und eine elektrische Isolierung zwischen den mehreren Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Gasdurchlässige Diffusionsmedien 30, 31, 32, 33, z. B. Kohlenstoff- oder Graphitdiffusionspapiere, liegen an einer Anodenseite und einer Kathodenseite der MEAs 12, 13 an. Die unipolaren Endplatten 15, 17 sind jeweils angrenzend an die Diffusionsmedien 30, 33 angeordnet, während die Bipolarplatte 8 angrenzend an das Diffusionsmedium 31 an der Anodenseite der MEA 12 angeordnet ist. Die Bipolarplatte 8 ist weiterhin angrenzend an das Diffusionsmedium 32 an der Kathodenseite der MEA 13 angeordnet.
Der Brennstoffzellenstapel 10 steht mit einer Brennstoffquelle 37, einer Oxidationsmittelquelle 39 und einer Kühlmittelquelle 41 in Fluidverbindung. Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst weiterhin einen Kathodenzufuhrkanal 34 in Fluidverbindung mit der Oxidationsmittelquelle 39, einen Kathodenauslasskanal 35, einen Kühlmittelzufuhrkanal 36 in Fluidverbindung mit der Kühlmittelquelle 41, einen Kühlmittelauslasskanal 38, einen Anodenzufuhrkanal 40 in Fluidverbindung mit der Brennstoffquelle 37 und einen Anodenauslasskanal 42. Die Zufuhrkanäle 34, 36, 40 und die Auslasskanäle 35, 38, 42 sind zum Beispiel durch ein Zusammenwirken von Leitungen ausgebildet, die zwischen den Quellen 37, 39, 41 und dem Brennstoffzellenstapel 10 angeordnet sind, wobei in der Bipolarplatte 8 Öffnungen gebildet sind, in den Dichtungen 26, 27, 28, 29 Öffnungen gebildet sind und in den unipolaren Endplatten 15, 17 Öffnungen gebildet sind.
Ein (nicht dargestellter) typischer Brennstoffzellenstapel ist aus mehreren in Reihe verbundenen Brennstoffzellenstapeln 10 aufgebaut. Ein solcher typischer Brennstoffzellenstapel wird üblicherweise als Kraftanlage für die Erzeugung elektrischer Energie, zum Beispiel in einem Fahrzeug, verwendet.
Bei Verwendung wird ein Brennstoff wie zum Beispiel Wasserstoff von der Brennstoffquelle 37 zugeführt, ein Oxidationsmittel wie zum Beispiel Sauerstoff wird von der Oxidationsmittelquelle 39 zugeführt und ein Kühlmittel wird von der Kühlmittelquelle 41 zugeführt. Der Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel von jeweiligen Quellen 37, 39, 41 breiten sich durch die Zufuhrkanäle 34, 36, 40 zu gegenüberliegenden Seiten der MEAs 12, 13 aus. (Nicht dargestellte) poröse Elektroden bilden eine (nicht dargestellte) Anode und eine (nicht dargestellte) Kathode und sind durch eine (nicht dargestellte) Protonenaustauschmembran getrennt. Die PEM sieht Ionentransport zum Erleichtern einer chemischen Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel 10 vor. Typischerweise wird die PEM aus Copolymeren geeigneter Monomere erzeugt. Solche Protonenaustauschmembranen können durch Monomere der folgenden Strukturen gekennzeichnet sein:
Eine solche Monomerstruktur wird in US 5,316,871 A offenbart.
2 zeigt ein Flussdiagramm eines Brennstoffzellensystems 48 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei eine zu der vorstehend für 1 beschriebenen Struktur ähnliche Struktur das gleiche Bezugszeichen gefolgt von einem gestrichenen (') Symbol umfasst. Das Brennstoffzellensystem 48 umfasst eine Brennstoffquelle 37', eine Oxidationsmittelquelle 39', einen Brennstoffzellenstapel 52 mit einem oder mehreren Brennstoffzellenstapeln 10, wie sie vorstehend für 1 beschrieben wurden, eine Brennstoffrückführungspumpe 56, eine Energie übermittelnde Vorrichtung 62, wie zum Beispiel einen Turbolader, und ein Gegendruckventil 64.
Die Brennstoffquelle 37' und der Brennstoffzellenstapel 52 stehen mittels eines Anodenzufuhrkanals 40' in Fluidverbindung. Die Oxidationsmittelquelle 39' und der Brennstoffzellenstapel 52 stehen mittels eines Kathodenzufuhrkanals 34' in Fluidverbindung. Der Brennstoffzellenstapel 52, ein Anodenauslasskanal 42' und die Brennstoffrückführungspumpe 56 stehen mit einem Brennstoffrückführungskanal 58 in Fluidverbindung. Der Brennstoffzellenstapel 52, die Energie übermittelnde Vorrichtung 62 und das Gegendruckventil 64 stehen mittels eines Kathodenauslasskanals 35' in Fluidverbindung. Die Brennstoffrückführungspumpe 56 und die Energie übermittelnde Vorrichtung 62 sind durch eine dazwischen angeordnete Welle 66 mechanisch verbunden. Es versteht sich, dass die Brennstoffrückführungspumpe 56, die Welle 66 und die Energie übermittelnde Vorrichtung 62 nach Bedarf separat oder einteilig ausgebildet sein können. Es versteht sich auch, dass die Brennstoffrückführungspumpe 56 ohne die Welle 66 direkt mit der Energie übermittelnden Vorrichtung 62 verbunden sein kann. Das Gegendruckventil 64 ist wie gezeigt ein Drosselventil mit mehreren Stellungen. Es versteht sich, dass nach Bedarf andere Arten von Ventilen verwendet werden können. Es ist auch möglich, dass das Gegendruckventil 64 nach Bedarf aus dem Brennstoffzellensystem 48 entfernt werden kann.
Bei Verwendung liefert die Brennstoffquelle 37' einen Brennstoff, wie zum Beispiel Wasserstoff, mittels des Anodenzufuhrkanals 40' zu dem Brennstoffzellenstapel 52, und die Oxidationsmittelquelle 39' liefert ein Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff, mittels des Kathodenzufuhrkanals 34' zu dem Brennstoffzellenstapel 52. Sobald sie sich im Brennstoffzellenstapel 52 befinden, führt eine Reaktion zwischen dem Oxidationsmittel und dem Brennstoff zur Erzeugung elektrischer Energie, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Von der Reaktion nicht verbrauchter Brennstoff wird durch den Anodenauslasskanal 42' abgeführt.
Typischerweise ist in dem Brennstoffzellensystem 48 eine Stickstoffmenge vorhanden. Der Stickstoff und das Oxidationsmittel, die durch die Reaktion nicht verbraucht wurden, zusammen mit von der Reaktion erzeugtem Wasser (nachstehend kollektiv als Kathodenabgas bezeichnet) werden durch den Kathodenauslasskanal 35' abgeführt. Der Druck in dem Kathodenauslasskanal 35' wird durch das Gegendruckventil 64 geregelt und kann zum Beispiel 20 kPa oder mehr betragen, wenngleich nach Bedarf andere Drücke verwendet werden können. Ein (nicht dargestelltes) Steuergerät, das einen (nicht dargestellten) Drucksensor umfasst, wird zum Messen des Drucks in dem Kathodenauslasskanal 35' verwendet. Das Steuergerät sendet ein Signal, um ein Öffnen und Schließen des Gegendruckventils 64 zu veranlassen, wenn ein höherer oder niedrigerer Druck in dem Kathodenauslasskanal 35' erwünscht ist.
Der Druck in dem Kathodenauslasskanal 35' stellt Energie für den Betrieb der Energie übermittelnden Vorrichtung 62 bereit. Die Energie wird durch Drehung der Welle 66 zu der Brennstoffrückführungspumpe 56 übertragen. Die Brennstoffrückführungspumpe 56 führt in dem Anodenauslasskanal 42' strömenden Brennstoff durch den Brennstoffrückführungskanal 58 zu dem Anodenzufuhrkanal 40' zurück. Typischerweise ist in dem Brennstoffrückführungskanal 58 ein (nicht dargestelltes) Entlüftungsventil angeordnet, um ein Abführen eines Teils des Anodenabgases zum Entweichen aus dem Brennstoffzellensystem 48 zu erleichtern. Das Gegendruckventil 64 kann von dem Steuergerät verstellt werden, um den Druckbetrag in dem Kathodenauslasskanal 35' zu steuern, wodurch der von der Energie übermittelnden Vorrichtung 62 zu der Brennstoffrückführungspumpe 56 übertragene Energiebetrag gesteuert wird.
Das Brennstoffzellensystem 48 erleichtert die Brennstoffrückführung für das Brennstoffzellensystem 48, während es Gewicht und Kosten desselben minimiert. Somit wird ein Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 48 maximiert.
Der Energiebetrag, der aus dem Druck in dem Kathodenauslasskanal 35' zur Verfügung steht, ist typischerweise ausreichend, um einen Sollbetrag an Brennstoffrückführung zu erzeugen. Unter bestimmten Bedingungen ist aber die verfügbare Energie geringer als die für den Sollbetrag der Brennstoffrückführung erforderliche. Es kann aber zusätzlicher Druck zum Antreiben der Brennstoffrückführungspumpe 56 entweder direkt aus dem Brennstoffzellenstapel 52 oder durch einen Kathodenstapelumgehungskanal 100 vorgesehen werden. Ein solcher Kathodenstapelumgehungskanal 100 wird in 3 gezeigt, wobei eine ähnliche Struktur zu der vorstehend für 1 und 2 beschriebenen Struktur das gleiche Bezugszeichen gefolgt von einem doppelt eingestrichenen Symbol ('') umfasst.
Das in 3 gezeigte Brennstoffzellensystem 102 umfasst eine Brennstoffquelle 37'', eine Oxidationsmittelquelle 39'', einen Brennstoffzellenstapel 52'' mit einem oder mehreren Brennstoffzellenstapeln 10, wie sie vorstehend für 1 beschrieben wurden, eine Brennstoffrückführungspumpe 56'', ein Umgehungsventil 104, wie es dem Grunde nach aus der DE 102 16 953 A1 bekannt ist, eine Energie übermittelnde Vorrichtung 62'', wie zum Beispiel einen Turbolader, und ein Gegendruckventil 64''.
Die Brennstoffquelle 37'' und der Brennstoffzellenstapel 52'' stehen mittels eines Anodenzufuhrkanals 40'' in Fluidverbindung. Die Oxidationsmittelquelle 39'' und der Brennstoffzellenstapel 52'' stehen mittels eines Kathodenzufuhrkanals 34'' in Fluidverbindung. Der Brennstoffzellenstapel 52'', ein Anodenauslasskanal 42''' und die Brennstoffrückführungspumpe 56'' stehen mit einem Brennstoffrückführungskanal 58'' in Fluidverbindung. Die Oxidationsmittelquelle 39'', der Kathodenzufuhrkanal 34'', das Umgehungsventil 104 und ein Kathodenauslasskanal 35''' stehen mittels des Kathodenstapelumgehungskanals 100 in Fluidverbindung. Der Brennstoffzellenstapel 52'', die Energie übermittelnde Vorrichtung 62'' und das Gegendruckventil 64'' stehen mittels eines Kathodenauslasskanals 35''' in Fluidverbindung. Die Brennstoffrückführungspumpe 56'' und die Energie übermittelnde Vorrichtung 62'' sind durch eine dazwischen angeordnete Welle 66'' mechanisch verbunden. Es versteht sich, dass die Brennstoffrückführungspumpe 56'', die Welle 66'' und die Energie übermittelnde Vorrichtung 62'' nach Bedarf separat oder integral ausgebildet sein können. Es versteht sich auch, dass die Brennstoffrückführungspumpe 56'' ohne die Welle 66'' direkt mit der Energie übermittelnden Vorrichtung 62'' verbunden sein kann. Das Gegendruckventil 64'' ist wie gezeigt ein Drosselventil mit mehreren Stellungen. Es versteht sich, dass nach Bedarf andere Arten von Ventilen verwendet werden können. Es ist auch möglich, dass das Gegendruckventil 64'' nach Bedarf aus dem Brennstoffzellensystem 102 entfernt werden kann.
Bei Verwendung liefert die Brennstoffquelle 37'' einen Brennstoff, wie zum Beispiel Wasserstoff, mittels des Anodenzufuhrkanals 40'' zu dem Brennstoffzellenstapel 52'', und die Oxidationsmittelquelle 39'' liefert ein Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff, mittels des Kathodenzufuhrkanals 34'' zu dem Brennstoffzellenstapel 52''. Sobald sie sich im Brennstoffzellenstapel 52'' befinden, führt eine Reaktion zwischen dem Oxidationsmittel und dem Brennstoff zur Erzeugung elektrischer Energie. Von der Reaktion nicht verbrauchter Brennstoff wird durch den Anodenauslasskanal 42'' abgeführt.
Durch den Kathodenauslasskanal 35'' wird Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 52'' abgelassen. Der Druck in dem Kathodenauslasskanal 35'' wird durch das Gegendruckventil 64'' und das Umgehungsventil 104 geregelt. Ein (nicht dargestelltes) Steuergerät, das einen (nicht dargestellten) Drucksensor umfasst, wird zum Messen des Drucks in dem Kathodenauslasskanal 35'' verwendet. Das Steuergerät sendet ein Signal, um ein Öffnen und Schließen des Gegendruckventils 64'' und/oder des Umgehungsventils 104 zu veranlassen, wenn ein höherer oder niedrigerer Druck in dem Kathodenauslasskanal 35'' erwünscht ist.
Der Druck in dem Kathodenauslasskanal 35'' stellt Energie für den Betrieb der Energie übermittelnden Vorrichtung 62'' bereit. Die Brennstoffrückführungspumpe 56'' führt in dem Anodenauslasskanal 42'' strömenden Brennstoff durch den Brennstoffrückführungskanal 58'' zu dem Anodenzufuhrkanal 40'' zurück. Typischerweise ist in dem Brennstoffrückführungskanal 58'' ein (nicht dargestelltes) Entlüftungsventil angeordnet, um ein Abführen eines Teils des Anodenabgases zum Entweichen aus dem Brennstoffzellensystem 102 zu erleichtern.
Wenn zusätzliche Brennstoffrückführung erwünscht ist, kann der Druck in dem Kathodenauslasskanal 35'' durch Verändern der Oxidationsmittelmenge angepasst werden, die durch den Kathodenstapelumgehungskanal 100 und das Umgehungsventil 104 in den Kathodenauslasskanal 35'' strömen darf. Der Druck in dem Auslasskanal 35'' kann auch durch Anpassen einer Stellung des Gegendruckventils 64'' verändert werden, wie vorstehend für 2 erläutert wurde. Zudem kann der Druck in dem Kathodenauslasskanal 35'' durch Verändern der Oxidationsmittelmenge, die durch den Kathodenstapelumgehungskanal 100 und das Umgehungsventil 104 strömen darf, kombiniert mit dem Anpassen der Stellung des Gegendruckventils 64'' gesteuert werden. Durch Steuern des Drucks in dem Kathodenauslasskanal 35'' kann die durch das Brennstoffzellensystem 102 ermöglichte Menge der Brennstoffrückführung gesteuert werden.
Das Brennstoffzellensystem 102 erleichtert die Brennstoffrückführung für das Brennstoffzellensystem 102, während sie Gewicht und Kosten desselben minimiert. Dadurch wird ein Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 102 maximiert. Zudem erleichtert das Brennstoffzellensystem 102 eine Maximierung der Brennstoffrückführung, wenn der Druck des Kathodenabgases allein nicht ausreicht, um die Brennstoffrückführungspumpe 56'' anzutreiben.
Die vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensysteme 48, 102 können mit beliebigen Brennstoffzellensystemen verwendet werden, die ein Kathodenabgas, ein druckbeaufschlagtes Fluid, das die Energie übermittelnde Vorrichtung 62, 62'' antreiben kann, oder eine Brennstoffrückführungsfunktion umfassen. Diese Systeme umfassen Hybridrückführungssysteme und Kaskadensysteme, sind aber nicht hierauf beschränkt.

Claims

Brennstoffzellensystem (48, 102) umfassend: einen Brennstoffzellenstapel (52, 52'') mit einem Kathodenzufuhrkanal (34', 34'') in Fluidverbindung mit einer Oxidationsmittelquelle (39', 39'') und mit einem Anodenzufuhrkanal (40', 40'') in Fluidverbindung mit einer Brennstoffquelle (37', 37''), wobei der Brennstoffzellenstapel (52, 52'') einen Anodenauslasskanal (42', 42'') und einen Kathodenauslasskanal (35', 35'') umfasst; eine Brennstoffrückführungspumpe (56, 56'') in Fluidverbindung mit dem Anodenauslasskanal (42', 42'') und dem Anodenzufuhrkanal (40', 40''); und eine Energie übermittelnde Vorrichtung (62, 62'') in Fluidverbindung mit dem Kathodenauslasskanal (35', 35''), die dafür ausgelegt ist, durch einen Druck darin angetrieben zu werden, wobei die Energie übermittelnde Vorrichtung (62, 62'') dafür ausgelegt ist, einen Betrieb der Brennstoffrückführungspumpe (56, 56'') zu bewirken, um mindestens einen Teil eines Anodenabgases aus dem Anodenauslasskanal (42', 42'') zu dem Anodenzufuhrkanal (40', 40'') zurückzuführen; gekennzeichnet durch ein Steuergerät, das einen Drucksensor aufweist und das eingerichtet ist, um den Druck in dem Kathodenauslasskanal (35', 35'') zu messen; und ein Gegendruckventil (64, 64'') in Fluidverbindung mit dem Kathodenauslasskanal (35', 35'') stromabwärts der Energie übermittelnden Vorrichtung (62, 62''); wobei das Steuergerät ferner eingerichtet ist, um ein Öffnen oder Schließen des Gegendruckventils (64, 64'') zu veranlassen, wenn in dem Kathodenauslasskanal (35', 35'') ein höherer oder niedrigerer Druck als gemessen erwünscht ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Energie übermittelnde Vorrichtung (62, 62'') ein Turbolader ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei eine Welle (66, 66'') den Turbolader mit der Brennstoffrückführungspumpe (56, 56'') wirkverbindet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: einen Kathodenstapelumgehungskanal (100), der zwischen dem Kathodenzufuhrkanal (34') und dem Kathodenauslasskanal (35') eine Fluidverbindung bereitstellt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, weiterhin umfassend: ein in dem Kathodenstapelumgehungskanal (100) angeordnetes Umgehungsventil (104), wobei das Umgehungsventil (104) in eine offene, eine geschlossene und eine mittlere Stellung positionierbar ist, um ein Strömen von Fluid durch dieses selektiv zu ermöglichen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffrückführungspumpe (56, 56'') direkt mit der Energie übermittelnden Vorrichtung (62, 62'') verbunden ist.