-
Die Erfindung betrifft ein strömungsumschaltendes Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Verwendung dieses Brennstoffzellensystems und ein Verfahren zum Betreiben dieses Brennstoffzellensystems.
-
Bei einem typischen Brennstoffzellensystem wird Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas durch einen Strömpfad der Anodenseite einer Brennstoffzelle zugeführt, während Sauerstoff (beispielsweise in Form von atmosphärischem Sauerstoff) durch einen separaten Strömpfad der Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführt wird. Bei einer Form von Brennstoffzelle, die als Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEM, kurz vom engl. Proton Exchange Membrane) bezeichnet wird, ist ein Elektrolyt in Form einer protonendurchlässigen Membran zwischen der Anode und Kathode sandwichartig eingeschlossen, um einen üblicherweise als Membranelektrodeneinheit (MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly) bezeichneten Schichtaufbau zu erzeugen. Jede MEA bildet eine einzelne Brennstoffzelle, und viele solcher einzelner Zellen können kombiniert werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, was dessen Leistungsabgabe erhöht. Mehrere Stapel können miteinander verbunden werden, um die Leistungsabgabe weiter zu steigern.
-
Eine Brennstoffzellenauslegung, die besonders brauchbar ist, wird als strömungsumschaltendes Brennstoffzellensystem bezeichnet. Bei einem solchen System weisen ein oder mehrere Stapel (oder ein geteilter Stapel) so ausgelegte Wasserstoff- (oder andere Brennstoff-)Strömpfade auf, dass das den Brennstoff enthaltende Fluid durch den Stapel zyklisch vor und zurück strömt, so dass Öffnungen, die das Strömen von Brennstoff zu und von dem Stapel zulassen, abhängig von der Strömrichtung des umgeschalteten Brennstoffs sowohl als Brennstoffeintritt als auch als Brennstoffaustritt dienen können. Wenn Brennstoff in einem halb geschlossenen zyklischen Muster vor und zurück durch den Stapel strömt, nimmt eine Öffnung in dem Anodenströmpfad Brennstoff in den Stapel auf, während eine andere das Fluid aus dem Stapel leitet. Abschnitte des Strömpfads können selektiv abgesperrt werden (d. h. am Ende oder am Anfang stillgelegt werden), um ein Entweichen des Brennstoffs während des zyklischen Vor- und Zurückströmens zu verhindern. Eine Kombination aus Ventilen oder ähnlichen Strömungssteuervorrichtungen kann verwendet werden, um das Umschalten der Strömungsrichtung zu bewirken, was eine Umkehrung der Rolle der Öffnungen hervorruft. Nach einer bestimmten Anzahl an Zyklen (beispielsweise, wenn sich ein Stickstoffwert bis zu dem Punkt aufgebaut hat, bei dem der Wasserstoff in dem Fluid zu verdünnt ist), kann ein Spülschritt ebenso wie die Zugabe frischen Brennstoffs erfolgen.
-
Während des Betriebs einer strömungsumschaltenden Brennstoffzelle kann sich Wasser in dem Anodenströmpfad ansammeln. Dies kann (unter anderem) auf die Diffusion von Wasser von der Kathode zur Anode der Brennstoffzelle zurückzuführen sein. Wenn die an der Anode vorhandene Wassermenge zu groß wird, kann die Anode fluten, was eine Abnahme der Leistungsverringerung hervorruft. Bei Situationen kalter Temperatur ist weiterhin überschüssiges Wasser problematisch, da ein längeres Einwirken solcher Bedingungen ein Gefrieren des Wassers hervorrufen kann. Andere Kräfte können das Austrocknen des Anodenströmpfads hervorrufen. Daher erfordert die Konstruktion einer Brennstoffzelle, dass dem Hydratationsbetrag Aufmerksamkeit geschenkt wird, um sicherzustellen, dass weder zu viel noch zu wenig Wasser vorhanden ist.
-
Strömungsumschaltende Brennstoffzellensysteme haben gegenüber anderen Vorgehensweisen, beispielsweise Systemen, die auf Anodenströmpfadrückführung basieren, Vorteile, denn während beide zum Verbessern der Hydratation der Anodenströmpfade und der Elektrolyten verwendet werden können, erfolgt dies beim auf Rückführung basierenden System mit Umwälzpumpen und anderen schwergewichtigen Komponenten, die zusätzlich zum Steigern von Kosten, Gewicht und Komplexität verschleißen können, wodurch das System größeren Wartungsproblemen unterliegt. Zudem erfordert die Verwendung solcher Pumpen eine Antriebsquelle (zum Beispiel elektrische Leistung), die bei Zufuhr durch den Betrieb der Brennstoffzellen den Gesamtwirkungsgrad des Systems verringert.
-
Strömungsumschaltende Brennstoffzellen können Wasserabscheider als Möglichkeit zum Steuern der in einer Anode oder einem Anodenströmpfad vorhandenen Wassermenge nutzen. Derzeitige Wasserabscheidetechnologien sind nur dafür ausgelegt, in einer festgelegten Strömungsrichtung zu arbeiten, was mit den strömungsumschaltenden Konfigurationen nicht vereinbar ist. Um daher derzeitige Wasserabscheider mit strömungsumschaltenden Brennstoffzellen kompatibel zu machen, sind mehrere Abscheider mit komplexen Ventilanordnungen erforderlich. Solche zusätzlichen Komponenten sind nachteilig, da sie zusätzlich zu einem Beitragen zu Druckabfällen (beispielsweise aufgrund irreversibler Expansion) und Zeitsteuerungsproblemen in dem Strömpfad zusätzliches Gewicht und zusätzliche Kosten mit sich bringen. Die Verwendung zahlreicher zusammenwirkender Ventile kann ferner die Verwendung von Aktoren oder Steuergeräten erfordern, um zu ermitteln, wann die Ventile geöffnet oder geschlossen werden müssen.
-
Aus
DE 10 2006 046 104 A1 sind bekannt ein strömungsumschaltendes Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems als Antriebsquelle in einem Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben dieses Brennstoffzellensystems, aufweisend: zyklisches Strömen eines brennstoffhaltigen Fluids durch eine von zwei Anodenströmpfaden gebildete Schleife; Strömen eines sauerstoffhaltigen Fluids durch einen Kathodenströmpfad; Reagieren mindestens eines Teils des brennstoffhaltigen Fluids und mindestens eines Teils des sauerstoffhaltigen Fluids, so dass Wasser erzeugt wird; und Abscheiden von Wasser, das sich in jedem Anodenströmpfad sammelt, während zyklisches Vor- und Zurückströmen erfolgt.
-
DE 10 2008 028 007 A1 offenbart ein zwei geteilte Brennstoffzellenstapel aufweisendes strömungsumschaltendes Brennstoffzellensystem, bei dem Anodenströmungen umgeschaltet werden, so dass ein Reaktandengas in zyklischer Weise durch die Brennstoffzellenstapel hin und zurück strömt. Ein Wasserabscheider sammelt Wasser im Anodengasstrom zwischen den beiden Brennstoffzellenstapeln. Das durch den Wasserabscheider aus dem Anodengasstrom entfernte Wasser kann über ein Ablassventil, das regelmäßig geöffnet wird, abgelassen werden.
-
JP 2006 120 503 A offenbart einen Wasserabscheider in Form eines Labyrinthabscheiders.
-
Erwünscht ist, dass ein strömungsumschaltendes Brennstoffzellensystem die Verbesserungen der Funktionsfähigkeit, die durch die Verwendung bidirektionaler Wasserabscheidetechniken ermöglicht werden, vorsieht.
-
Weiterhin ist erwünscht, dass ein Wasserabscheider Systemkomplexität minimiert und Wirkungsgrad maximiert.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein strömungsumschaltendes Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so bereitzustellen, dass es eine verbesserte Funktionsfähigkeit aufweist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems bereitzustellen.
-
Die o. g. Aufgaben werden mit einem strömungsumschaltenden Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, einer Verwendung gemäß Anspruch 12 bzw. einem Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.
-
Nach einer ersten Ausgestaltung umfasst ein strömungsumschaltendes Brennstoffzellensystem mindestens zwei Brennstoffzellenstapel und einen Wasserabscheider, der zwischen den Stapeln fluidisch angeschlossen ist. Auf diese Weise wird mindestens ein Anteil des in einem Reaktandenfluid vorhandenen Wassers, das durch mindestens einen Teil der Stapel strömt, entfernt. Die Stapel umfassen jeweils mehrere Brennstoffzellen mit einer Anode, Kathode und einem zwischen jeder Anode und Kathode angeordneten Elektrolyten. Ein Anodenströmpfad ist mit der Anode fluidverbunden, so dass ein Fluid, das einen ersten Reaktand (beispielsweise Wasserstoff oder einen ähnlichen Brennstoff) enthält, über die Anode vor und zurück geleitet werden kann. Im vorliegenden Kontext entspricht die allgemeine Vor- und Zurückbewegung des ersten Reaktanden bei dessen zyklischem Durchströmen des Anodenströmpfads ersten und zweiten Strömungsrichtungen, die einem Strömungsumschaltsystem zueigen sind. Im Allgemeinen sind die erste und die zweite Richtung einander entgegengesetzt. Ein Kathodenströmpfad ist mit der Kathode fluidverbunden, so dass ein Fluid, das einen zweiten Reaktanden (beispielsweise Luft oder ein ähnliches sauerstoffhaltiges Fluid) enthält, über die Kathode geleitet werden kann. Im vorliegenden Kontext ist ein Fluid, das „über” die Anode oder Kathode zirkuliert, so zu verstehen, dass Situationen eingeschlossen werden, bei denen das Fluid mit einer der Elektroden so in Kontakt kommt, dass eine Ionisierung des jeweiligen ersten oder zweiten Reaktanden durch die entsprechende katalytische Reaktion ermöglicht wird. Somit wird das Strömen von Fluid durch eine im Allgemeinen poröse Anode oder Kathode zum Erreichen einer solchen Ionisierung als Strömen über diese Anode oder Kathode betrachtet. Der Wasserabscheider umfasst ein Gehäuse, das darin eine Abscheidekammer ausbildet; einen bidirektionalen Strömpfad, der zum Vor- und Zurückleitenlassen des Anodenfluids durch die Abscheidekammer ausgelegt ist; mindestens einen Fluidablauf, der in der Abscheidekammer so ausgebildet ist, dass kondensiertes Wasser, das aus dem Anodenfluid entfernt wurde, zu dem Ablauf strömt. Die Anodenströmpfade der beiden Stapel sind über den Wasserabscheider in Reihe miteinander verbunden und bilden eine durchgehende Schleife. Eine Wasserdampfübertragungseinrichtung, die mit dem Fluidablass verbunden ist, ist im Kathodenströmpfad angeordnet und besitzt einen ersten Strömungspfad, der mit jeweiligen Kathodenauslässen der Brennstoffzellenstapel und mit dem anderen Fluidablass verbunden ist, und einen zweiten Strömungspfad, der mit jeweiligen Kathodeneinlässen der Brennstoffzellenstapel und mit einer den zweiten Reaktanden enthaltendes Fluid bereitstellenden Fluidquelle verbunden ist, so dass Fluid aus der Fluidquelle vor Eintritt in die Kathodeneinlässe der Brennstoffzellenstapel mit Wasser aus dem Fluidablass befeuchtet werden kann.
-
Optional kann die Abscheidekammer von zahlreichen Auslegungen sein, die mit einem bidirektionalen Strömen kompatibel sind. Geeignete Formen können umfassen: einen Labyrinthabscheider, bei dem zahlreiche Schwallbleche oder ähnliche Strömungshindernisse in der Abscheidekammer des Wasserabscheiders angeordnet sein können, um Trägheitsaufprallen zwischen den im Fluid vorhandenen Wassermolekülen und den Schwallblechen zu bewirken, einen Doppelzyklonabscheider, der im Gegensatz zu einem herkömmlichen Einzelzyklonabscheider aufgrund der entgegengesetzten Ausrichtung der beiden Zyklone Fluid in beide Richtungen strömen lässt, einen Plattenabscheider mit Vorsprüngen, die von den Plattenflächen zur Verbesserung des Auffangens von Wassertropfen abstehen, und einen Drahtgeflechtabscheider. Dieses letzte Beispiel kann in einem im Wesentlichen diagonalen Abscheidepfad oder einem im Wesentlichen vertikalen oder horizontalen Abscheidepfad angeordnet sein. Im vorliegenden Kontext bezeichnet der Begriff „im Wesentlichen” eine Anordnung von Elementen oder Merkmalen, die zwar in der Theorie erwartungsgemäß ein exaktes Entsprechen oder Verhalten aufweisen, in der Praxis aber etwas nicht ganz so Exaktes verkörpern können. Somit bezeichnet der Begriff den Grad, um den ein quantitativer Wert, eine quantitative Messung oder eine andere ähnliche Darstellung von einem angegebenen Referenzwert abweichen kann, ohne zu einer Änderung der Grundfunktion des betreffenden Gegenstands zu führen. Zudem kann das System ein oder mehrere Strömungssteuervorrichtungen (beispielsweise ein Ventil) umfassen, die in der von beiden Anodenströmpfaden gebildeten Schleife fluidisch angeordnet sind, um Vor- und Zurückleiten des Fluids zu erleichtern, das den Brennstoff oder einen ähnlichen ersten Reaktanden mit sich führt. In einer Form können zahlreiche Ventile veranlasst werden, miteinander zusammenzuarbeiten, während in einer anderen ein oder mehrere Dreiwegeventile verwendet werden können. Zudem kann ein Steuergerät enthalten und mit den Ventilen signalverbunden sein, um ein gewisses Maß an Automation des Vor- und Zurückströmens vorzusehen. Das vordere Stilllegen und das Einleiten neuer Reaktanden sind allesamt Funktionen, die durch das selektive Öffnen und Schließen der Ventile erleichtert werden können. Weitere Ventile können ferner in dem Anodenströmpfad enthalten sein, um das Abblasen, Spülen oder andere ähnliche Funktionen zu erleichtern.
-
Das System kann weiterhin ein Steuergerät umfassen, das mit dem einen Sensor oder den mehreren Sensoren (zum Beispiel Drucksensoren, Temperatursensoren oder beide) oder dem einen Ventil oder den mehreren Ventilen zusammenarbeitet. Auf diese Weise kann das Steuergerät einen programmierten Algorithmus zum Korrelieren von Ventilöffnen und -schließen mit verschiedenen Strömrichtungs-, Temperatur- und/oder Druckbedingungen verwenden. Das Steuergerät kann auch dafür ausgelegt sein, andere Systemparameter (zum Beispiel Systemlast) zu überwachen, die zum Ermitteln verwendet werden könnten, wann ein bestimmter Schwellenwert erreicht ist. Auf diese Weise kann das Steuergerät eine Folge von Öffnen und Schließen des einen oder der mehreren Ventile weiter anpassen. Das Steuergerät kann auch in Verbindung mit den Sensoren zur Ermittlung verwendet werden, wann Spülbetrieb und der Betrieb zum Einleiten neuen Brennstoffs erforderlich sind. Zum Beispiel kann ein Teil des Steuerns des einen oder der mehreren Ventile das Schließen des Ventils nach dem Ablauf eines bestimmten Zeitbetrags umfassen, der einem Arbeitszyklus entspricht, beispielsweise der Dauer eines vollständigen Betriebszyklus des Anodenströmpfads (die in der Größenordnung von wenigen Sekunden liegen kann), oder er kann dem Verstreichen von Zeit entsprechen, die proportional zur Konzentration von Stickstoff oder anderen verdünnenden Mitteln ist. Die Bedingungen, unter denen diese und andere Betriebe geeignet sind, können in dem Steuergerät durch Werte in einer Nachschlagetabelle oder einer ähnlichen Datenspeichervorrichtung dargestellt sein.
-
Bei einer anderen Option kann das System in einem Fahrzeug eingesetzt sein, wobei das System als Antriebskraftquelle für das Fahrzeug dient. Ein solches Fahrzeug kann zum Beispiel ein Auto, ein Lastwagen, ein Luftfahrzeug, ein Raumfahrzeug, ein Wasserfahrzeug oder ein Motorrad sein. Die Antriebskraftquelle kann eine direkte oder indirekte Antriebskraft vorsehen, die letztere (zum Beispiel) durch eine mechanische Verbindung mit einem oder mit mehreren Rädern oder durch Fluid nutzende Mittel, beispielsweise einen Propeller. Insbesondere kann das Fahrzeug einen zum Tragen des Systems ausgelegten Unterboden, einen auf Leistung der Antriebskraftquelle drehend ansprechenden Antriebsstrang und ein oder mehrere mit dem Antriebsstrang verbundene Räder umfassen.
-
Nach einer anderen Ausgestaltung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems offenbart. Das Verfahren umfasst das Auslegen des Systems in solcher Art, dass ein brennstoffhaltiges Fluid durch einen Anodenströmpfad zwischen mehreren Öffnungen, die abwechselnde Eintritt- und Austrittöffnungen zu einem Brennstoffzellenstapel ausbilden, zyklisch vor und zurück strömen kann. Durch zyklisches Leiten des brennstoffhaltigen Fluids durch einen Anodenströmpfad fungiert das System als strömungsumschaltende Brennstoffzelle. Das Verfahren umfasst weiterhin das Strömenlassen eines sauerstoffhaltigen Fluids durch einen Kathodenströmpfad, das Reagieren mindestens eines Teils des brennstoffhaltigen Fluids und mindestens eines Teils des sauerstoffhaltigen Fluids, so dass Wasser erzeugt wird, und das Abscheiden von Wasser, das sich in dem Anodenströmpfad sammelt, während das zyklische Strömen erfolgt, und ein Abführen des Wassers über den Fluidablass. Das Verfahren umfasst auch Bereitstellen von sauerstoffhaltigem Frischfluid als das den zweiten Reaktanden enthaltende Fluid aus der Fluidquelle und Befeuchten des Fluids aus der Fluidquelle vor Eintritt dessen in die Kathodeneinlässe der Brennstoffzellenstapel mit abgeschiedenem Wasser aus dem Fluidablass.
-
Optional umfasst das Verfahren weiterhin das Reinigen des Anodenströmpfads von mindestens einem Teil des brennstoffhaltigen Fluids. Bei einer anderen Option erfolgt das Abscheiden in einem passiven Wasserabscheider. Bei einer anderen Option kann flüssiges Wasser, das sich in dem Wasserabscheider gesammelt hat, abgelassen werden. Weiterhin umfasst das zyklische Strömen im Einzelnen das Einleiten des brennstoffhaltigen Fluids in den Anodenströmpfad, so dass der Brennstoff in einer ersten Richtung durch den Stapel strömt, und das Umkehren des Strömens des brennstoffhaltigen Fluids durch den Anodenströmpfad, so dass der Brennstoff in einer zweiten Richtung, die im Wesentlichen entgegengesetzt zur ersten Richtung ist, durch den Stapel strömt. Diese Vorgehensweise kann weiterhin das Steuern mindestens eines Ventils zum Erleichtern des zyklischen Strömens umfassen. Das Steuern des Strömens kann auf einem oder mehreren Ventilen beruhen, einschließlich der bereits erwähnten Dreiwegeventile. Auf diese Weise kann durch das Ventil ein Abblasen, Spülen oder Einleiten von Brennstoff in den Anodenströmpfad gesteuert werden. Das Verfahren kann weiterhin das Auslegen eines Steuergeräts, so dass es mit dem einen oder den mehreren Ventilen zu deren selektiver Betätigung zusammenwirkt, umfassen. Ein spezifisches Beispiel einer Ventilsteuerung umfasst das Schließen bestimmter Ventile, um mindestens einen Teil des Anodenströmpfads vorne stillzulegen.
-
Kurzbeschreibung der mehreren Ansichten der Zeichnungen
-
Die folgende eingehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung lässt sich am Besten bei Lesen in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen verstehen, bei denen eine ähnliche Struktur durch ähnliche Bezugszeichen angezeigt wird. Hierbei zeigen:
-
1 ein Blockdiagramm eines einen Brennstoffzellenstapel umfassenden Brennstoffzellensystems, das für Fahrzeuganwendungen ausgelegt ist;
-
2 eine repräsentative einzelne Brennstoffzelle, die zum Herstellen des Brennstoffzellenstapels von 1 verwendet wird;
-
3 ein schematisches Diagramm eines fiktiven strömungsumschaltenden Brennstoffzellensystems;
-
4A und 4B einen schematischen Labyrinthwasserabscheider nach einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
-
5A und 5B eine schematische Vorderansicht und Draufsicht einer ersten Abwandlung eines Doppelzyklonwasserabscheiders nach einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung;
-
5C und 5D eine schematische Vorderansicht und Draufsicht einer zweiten Abwandlung eines Doppelzyklonwasserabscheiders nach einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung;
-
6A und 6B zwei Abwandlungen eines schematischen Drahtgeflecht- wasserabscheiders nach einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung;
-
7A und 7B einen schematischen Plattenwasserabscheider nach einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung;
-
8A bis 8D weitere Einzelheiten der Doppelzyklon-, Platten- und Drahtgeflechtwasserabscheider von 5A, 5B, 7A, 7B bzw. 6A und 6B; und
-
9 ein Fahrzeug, das das erfindungsgemäße strömungsumschaltende Brennstoffzellensystem einsetzt.
-
Eingehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
-
Unter Bezug zunächst auf 1 und 9 hebt ein Blockdiagramm die Hauptbestandteile eines mobilen Brennstoffzellensystems 1 (1) sowie ein repräsentatives Anordnen eines Brennstoffzellensystems in einer Kraftfahrzeuganwendung (9) hervor. Unter besonderem Bezug auf 1 umfasst das System 1 ein Reaktandenzufuhrsystem 100, das aus einer Brennstoffquelle 100A und einer Sauerstoffquelle 100B besteht, ein Brennstoffverarbeitungssystem 200, einen Stapel 3000, der mehrere Brennstoffzellen 300 enthält, ein oder mehrere optionale Energiespeichervorrichtungen 400, einen Antriebsstrang 500 und ein oder mehrere Antriebsvorrichtungen 600, die fiktiv als Rad gezeigt sind. Eine oder beide der Brennstoff- oder Sauerstoffquellen 100A, 100B können mittels eines Tanks oder ähnlichen Behälters versorgt werden und können optional durch einen Verdichter oder eine ähnliche Pumpe druckbeaufschlagt werden. Während das vorliegende System 1 für mobile Anwendungen (beispielsweise Fahrzeuganwendungen) gezeigt wird, versteht sich für den Fachmann, dass die Verwendung des Stapels 3000 und seiner Nebenaggregate gleichermaßen auf stationäre Anwendungen anwendbar ist.
-
Das Brennstoffverarbeitungssystem 200 kann integriert werden, um einen Rohbrennstoff, beispielsweise Methanol, in Wasserstoff oder wasserstoffreichen Brennstoff zur Verwendung in der Brennstoffzelle 300 umzuwandeln; ansonsten ist bei Konfigurationen, bei denen die Brennstoffquelle 100A bereits im Wesentlichen reinen Wasserstoff zuführt, das Brennstoffverarbeitungssystem 200 eventuell nicht erforderlich. Die Energiespeichervorrichtungen 400 können in Form einer oder mehrerer Batterien, Kondensatoren, Stromwandler oder sogar eines Motors zum Umwandeln des von der Brennstoffzelle 300 kommenden elektrischen Stroms in mechanische Leistung, beispielsweise die Leistung einer Drehwelle, die verwendet werden kann, um einen Antriebsstrang 500 oder eine oder mehrere Antriebsquellen 600 zu betreiben, vorhanden sein. Wie vorstehend erwähnt sind die Energiespeichervorrichtungen 400 optional; daher sind sie für den Betrieb des Systems 1 nicht erforderlich, und bei bestimmten Konfigurationen kann auf sie verzichtet werden.
-
Unter Bezug als Nächstes auf 2 umfasst die Brennstoffzelle 300 eine Anode 310, eine Kathode 330 und einen zwischen der Anode 310 und der Kathode 330 angeordneten Elektrolyten 320. In einer bevorzugten Konfiguration ist die Brennstoffzelle 300 eine PEM-Brennstoffzelle, und während die vorliegende Erfindung insbesondere bei PEM-Brennstoffzellen anwendbar ist, liegt die Verwendung anderer Brennstoffzellenkonfigurationen bei der vorliegenden Erfindung ebenfalls innerhalb der Reichweite der vorliegenden Offenbarung. Die Anode 310 umfasst ein im Allgemeinen poröses Elektrodensubstrat 312 (auch als Diffusionsschicht bezeichnet) und eine Katalysatorschicht 314, die mit einem Anodenströmpfad 316 verbunden ist. Die Kathode 330 umfasst ein im Allgemeinen poröses Elektrodensubstrat 332, das ebenfalls als Diffusionsschicht ausgelegt ist, sowie eine mit einem Kathodenströmpfad 336 verbundene Katalysatorschicht 334. Zusammen bilden die Substrate 312, 332, die Katalysatorschichten 314, 334 und der Elektrolyt 320 eine MEA 350. Anoden- und Kathodenströmpfade 316, 336 (von denen Teile zum Beispiel als Nute in einer (nicht dargestellten) Bipolarplatte ausgebildet sein können) kontaktieren ihre jeweilige Anode und Kathode, um eine Zufuhr der entsprechenden Reaktanden zu ermöglichen. Brennstoff (typischerweise in der Form gasförmigen Wasserstoffs) kommt mit einem Katalysator (wie zum Beispiel Platin oder ein ähnliches Edelmetall) auf der Katalysatorschicht 314 der Anode 310 in Kontakt. Eine elektrochemische Oxidation des Wasserstoffbrennstoffs läuft durch eine für eine aufspaltende Adsorptionsreaktion gehaltene Reaktion ab, die durch den Katalysator erleichtert wird. Das an der Anode 310 erzeugte positiv geladene Wasserstoffion (Proton) tritt dann durch den Elektrolyten 320, um mit den an der Kathode 330 erzeugten negativ geladenen Sauerstoffionen zu reagieren. Das Strömen der freigesetzten Elektronen aus der Ionisierung des Brennstoffs bildet einen elektrischen Strom durch eine Außenschaltung, die die Energiespeichervorrichtungen oder eine andere Last 400 umfassen kann, so dass ein Motor oder eine ähnliche auf elektrischen Strom ansprechende Vorrichtung gedreht werden kann.
-
Unter Bezug als Nächstes auf 3 wird ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellensystems 1, das als strömungsumschaltendes System ausgelegt ist, gezeigt. Bei einem solchen System wirken zwei Stapel 3000A und 3000B zusammen, um Brennstoff von der Brennstoffquelle 100A zwischen ihnen durch den Anodenströmpfad 316 zyklisch vor und zurück strömen zu lassen. Während die Stapel 3000A und 3000B fiktiv als erster bzw. zweiter Stapel bezeichnet werden können, ist die Natur des strömungsumschaltenden Systems 1 solcher Art, dass der Fachmann verstehen wird, dass solche Bezeichnungen relativ sind, wobei sie sich bei jedem Umschalten der Strömungsrichtung nach einem halben Zyklus ändern. Bei Betrieb wird Wasserstoff von der Brennstoffquelle 100A in den Stapel 3000A durch ein offenes Ventil 810A zugeführt, während das Ventil 810B geschlossen sein kann (d. h. stillgelegt), um eine erste Hälfte des Zyklus zu bilden. Brennstoff kann entweder durch eine (nicht dargestellte) Pumpe oder eine druckbeaufschlagte Brennstoffquelle (beispielsweise einen druckbeaufschlagten Wasserstofftank) oder durch ein anderes Mittel zugeführt werden. In einer zweiten Hälfte des Zyklus wird das Strömen durch Öffnen des Ventils 810B und gleichzeitiges Schließen des Ventils 810A umgekehrt. Hat man eines der Ventile offen, während das andere geschlossen ist, hat man die Wirkung, dass das Strömen durch den Anodenströmpfad 316 in Reihe durch die Stapel 3000A und 3000B veranlasst wird. Ein Steuergerät C kann mit den Ventilen 810A, 810B signalverbunden sein, um eine strömungsumschaltende Logik oder einen ähnlichen Algorithmus vorzusehen. Eine Eingabe, wann zwischen den beiden halben Zyklen umgeschaltet werden soll, kann auf erfassten Werten von Temperatur und Druck (durch jeweilige Sensoren T und P gezeigt) oder durch andere Werte, beispielsweise eine gemessene Stapelspannung (nicht gezeigt), beruhen. Die beiden halben Zyklen ermöglichen es zusammen, dass die Richtung des Anodenstroms hin und zurück pendelt, so dass sie in einem halbgeschlossenen Muster zwischen den Stapeln 3000A, 3000B läuft. Ein Nachweis einer solchen Vor- und Zurückbewegung des Brennstoffs ist in den Teilen des Anodenströmpfads 316 ersichtlich, die mit Doppelpfeilen markiert sind.
-
Der Anodenströmpfad 316 bildet eine durchgehende Schleife, die die Stapel 3000A, 3000B durch (nicht gezeigte) Öffnungen, die das Gehäuse der Stapel sowie die einzelnen Brennstoffzellen 300 in jedem der Stapel durchsetzen, fluidisch verbindet. Wie vorstehend erläutert, werden die Ventile 810A und 810B zum selektiven Ändern der Richtung des Fluidstroms durch den Anodenströmpfad 316 und die Stapel 3000A und 3000B verwendet. Die Ventile 810A und 810B können zahlreiche Konfigurationen annehmen, die dem Fachmann bekannt sind, einschließlich Zweiwege- und Dreiwegeventile. Der Entlüftungsströmpfad 346 und das Ventil 820 sind mit dem Anodenströmpfad 316 fluidverbunden, um ein Entlüften, Spülen oder ähnliche Funktionen zuzulassen, die periodisch erforderlich sein können. Fluid, das durch das Ventil 820 entlüftet oder gespült wird, wird in die Ablassleitung 356 abgelassen, die nasse Abluft aus den Stapeln 3000A, 3000B sowie von anderen Quellen enthält, wie nachstehend näher erläutert wird. Solche Abläufe sind wertvoll, da sie das Einleiten frischen Brennstoffs in den Anodenströmpfad 316 und die Stapel 3000A, 3000B erlauben, sobald eine ausreichende Anzahl an Zyklen abgelaufen ist. Auch wenn die vorliegende Konfiguration ein Paar Zweiwegeventile 810A und 810B zeigt, versteht sich, dass eine gewisse Redundanz durch die Verwendung eines einzigen Dreiwegeventils beseitigt werden kann.
-
Rückschlagventile (nicht dargestellt) können zum Vermeiden eines Rückwärtsströmens während bestimmter Teile des zyklischen Vor- und Zurückströmens des Fluids in dem Anodenströmpfad 316 verwendet werden. Zusätzlich zu den Ventilen 810A, 810B steht das Steuergerät C (das in einer zentralen Form gezeigt wird, wobei sich aber versteht, dass es auch eine verteilte Konfiguration einschließen kann) mit den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 in Verbindung, um deren Betrieb zu steuern und zu koordinieren. Zum Beispiel kann das Steuergerät C mit der Pumpe 1000 oder einer anderen Quelle druckbeaufschlagten Reaktands (beispielsweise einem Sauerstoffbrennstofftank) in Verbindung gesetzt werden. Das Steuergerät C kann auch für andere Brennstoffzellenfunktionen verwendet werden, beispielsweise das Betreiben eines (nicht dargestellten) Kühlmittelzufuhrsystems. Das Steuergerät C kann eine oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs, kurz vom engl. Application Specific Integrated Circuits) oder ähnliche Module, die die erwünschte Funktionalität liefern, umfassen. Solche Vorrichtungen können ein programmierbares Logiksteuergerät oder eine andere Verarbeitungseinrichtung bilden. Sie können weiterhin gemeinsame Prozessoren, dedizierte Prozessoren oder Gruppenprozessoren, eine unterstützende Elektronikschaltung und einen Speicher umfassen, die zusammen ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführen. In einem solchen Fall könnten bestimmte Algorithmen in ein ASIC, Modul oder eine andere Logikvorrichtung in dem Steuergerät C programmiert sein oder von diesen verwendet werden, um Strömungsumschaltzeiten, Befehle für Spülventilöffnen und -schließen und dergleichen zu steuern.
-
Während des Betriebs pendelt die Richtung des Fluidstroms in dem Anodenströmpfad 316 vor und zurück, so dass sie in einem halbgeschlossenen Muster zwischen den Stapeln läuft. Während eines ersten Teils des strömungsumschaltenden Zyklus wird der Anodenströmpfad 316 als Leitung zum Zuführen des druckbeaufschlagten Fluids an den Anoden 310 (in 2 gezeigt) der verschiedenen Brennstoffzellen 300 vorbei verwendet. Wie vorstehend erwähnt kann in diesem Teil des Zyklus das Ventil 810B geschlossen sein, so dass der Anodenströmpfad 316 vorne stillgelegt ist. Während eines zweiten Teils des Strömungsumschaltzyklus wechselt die Strömung die Richtung, so dass das wasserstoffhaltige Fluid auf seinem Weg durch den Strömpfad 316 durch das Ventil 810B, wieder vorbei an den Anoden 310 der verschiedenen Brennstoffzellen 300 strömt. Während beider Teile des strömungsumschaltenden Zyklus wird ein sauerstoffhaltiges Fluid in geeigneter Weise durch den Kathodenströmpfad 336 geleitet, um die elektrochemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und Sauerstoff an der Kathode 330 (in 2 gezeigt) zu erleichtern. Nach einer ausreichenden Anzahl an Zyklen, die teilweise durch die Restwasserstoffkonzentration in dem wasserstoffhaltigen Fluid bestimmt werden kann, kann in dem Anodenströmpfad 316 ein Abblaszyklus eingeleitet werden, um den angesammelten Stickstoff zu entfernen. Zudem können ein (nicht dargestelltes) Spülventil und ein begleitender Spülzyklus laufen gelassen werden, um die Anoden 310 der Brennstoffzellen 300 auszutrocknen. Ein solches Spülen kann für Zeiträume der Inaktivität der Brennstoffzelle 300 wertvoll sein, um die Brennstoffzelle 300 gefrierfest zu machen.
-
Eine Wasserdampfübertragungseinrichtung 900 kann in dem Kathodenströmpfad 336 angeordnet sein und damit zusammenwirken, um eine Befeuchtung des aus der Sauerstoffquelle 100B kommenden Reaktanden zu ermöglichen. Zum Beispiel kann der aus der Sauerstoffquelle 100B kommenden Frischluft durch Wechselwirkung mit Abluft, die aus dem Kathodenauslass des Brennstoffzellenstapels 3000 kommen kann, in der Wasserdampfübertragungseinrichtung 900 Feuchtigkeit zugeteilt werden, die mit Anodenwasser befeuchtet ist, das aus dem Ablass des Wasserabscheiders 700 kommen kann. Die nasse Abluft, die aus der Wasserdampfübertragungseinrichtung 900 ausströmt, kann dann aus der Ablassleitung 356 abgelassen werden.
-
Ein Wasserabscheider 700 ist so angeordnet, dass bei zyklischem Vor- und Zurückströmen des brennstoffhaltigen Fluids durch den Anodenströmpfad 316 das Fluid durch den Wasserabscheider 700 tritt, der eine Abscheidekammer 750 umfasst, in der das Fluid in Wechselwirkung tritt, um einen Teil der Wassertropfen, Feuchtigkeit oder eines anderen Kondensators abzugeben, die mit dem Fluid mitgeführt werden. Im Allgemeinen ist der Wasserabscheider 700 so ausgelegt, dass die Abscheidekammer 750 vertikal höher als ein Ablass 720 angeordnet ist, so dass in der Abscheidekammer 750 gesammeltes Wasser zum Entfernen durch die Ablassleitung 356 durch Schwerkraft dem Ablass 720 zugeführt werden kann. An geeigneten Stellen (beispielsweise in dem Teil des Kathodenströmpfads 336, der stromabwärts der Stapel 3000A und 3000B ist) können Rückschlagventile 840 enthalten sein, um zu vermeiden, dass die nasse Abluft, die durch die Ablassleitung 356 strömt, in den Kathodenströmpfad 336 eindringt. Besondere Ausführungsformen des Wasserabscheiders 700 werden nachstehend näher beschrieben. Das Ablassventil 830 kann zum Regeln des Strömens von dem Wasserabscheider 700 zur Ablassleitung 356 verwendet werden.
-
Unter Bezug als Nächstes auf 4A bis 8D werden verschiedene Formen von Wasserabscheidern 700 gezeigt. Wie aus dem Kontext hervorgeht, deckt die Bezeichnung 700 die Wasserabscheider der vorliegenden Erfindung allgemein ab, während spezifische Ausführungsformen 700A, 700B, 700C und 700D zum Darstellen der Labyrinth-, Doppelzyklon-, Drahtgeflecht- bzw. Plattenversionen verwendet werden. Bei jeder Variante des Wasserabscheiders 700 erleichtern Öffnungen 316A, 316B, die fluidisch einen Teil des Strömpfads 316 bilden, das bidirektionale Strömen von Fluid durch den Wasserabscheider 700 durch Vorsehen des erforderlichen abwechselnden Einlasses und Auslasses. Unter besonderem Bezug auf die Draufsicht 4A und die Seitenansicht 4B werden der Labyrinthwasserabscheider 700A sowie die bidirektionale Verbindung zum Anodenströmpfad 316 durch die Öffnungen 316A, 316B gezeigt. Einzelne Schwallbleche 710A sind entlang der Richtungen des Fluidstroms beabstandet, um einen gewundenen Pfad zu bilden. Auf diese Weise haben in dem Fluid vorhandene Wassertropfen im Verhältnis zu gasförmigen Teilen des Fluids eine relativ hohe Trägheit und neigen dazu, auf die Schwallbleche 710A zu prallen und an ihnen anzuhaften. Wenn sich eine ausreichende Menge an Wasser an den Schwallblechen 710A sammelt, kann es in den Ablass 720 tropfen.
-
Unter besonderem Bezug auf 5A bis 5D und 8A werden Doppelzyklonwasserabscheider 700B gezeigt. Das Fluid dringt durch die Öffnungen 316A, 316B in den Doppelzyklonwasserabscheider 700B. Sobald es sich in der Abscheidekammer 750 befindet, dient der gemeinsame Durchlass 715B als Einlass zu jedem der Zyklone. Wie insbesondere in 5B ersichtlich ist, leiten die Einlässe 316A und 316B das Fluid in jeden Zyklon tangential ein, wodurch eine Wirbelbewegung erzeugt wird, die durch Zentrifugalkraft die Tropfen des in dem Fluid vorhandenen Wassers gegen die Wände der Zyklone schleudert, wo sie tendenziell anhaften. Diese Zentrifugalbewegung neigt dazu, das Gas in der Mitte des Zyklons relativ feuchtigkeitsarm zu belassen, und es ist dieser mittig angeordnete Teil des Fluidstroms, der durch Auslässe 710B tendenziell austritt. 8A zeigt eine Ansicht im Schnitt, die das Zusammenwirken von Fluid zwischen den beiden Zyklonen 700B1 und 700B2 hervorhebt. 5C, 5D und 8A zeigen eine Variante, bei der der Zyklon Zyklonwirkung vorsieht, auf den es zuerst trifft, während 5A und 5B eine Variante zeigen, bei der nun der Zyklon, auf den als zweiter getroffen wird, im Verhältnis zum durchströmenden Fluid immer der aktive ist. In beiden Fällen wird ein gemeinsamer Durchlass 715B verwendet, um die Zyklone 700B1 und 700B2 fluidisch zu verbinden. Die Öffnungen 316A und 316B wirken zusammen, um Ein- und Ausströmen von Fluid zu der Abscheidekammer 750 zuzulassen, während der Ablass 720 das Strömen von gesammeltem Wasser von dem Wasserabscheider 700B zulässt.
-
Unter Bezug insbesondere auf 6A, 6B und 8C und 8D wird ein Drahtgeflechtwasserabscheider 700C gezeigt. In diesem Fall kann das Drahtgeflecht 710C aus einer oder mehreren Dichten von Geflechtmaterial gebildet werden. Wie insbesondere in 8D gezeigt wird, ist das Drahtgeflecht 710C ein mehrschichtiges Laminat, das aus verschiedenen Dichten von Geflecht besteht, wobei es einen Bereich 711C hoher Dichte, einen Bereich 712C niedriger Dichte und sogar optionale Luftspalte 713C umfasst. 6A zeigt in Verbindung mit 8D ein im Allgemeinen vertikales Drahtgeflecht 710C, während 6B in Verbindung mit 8C ein im Allgemeinen diagonales Drahtgeflecht 710C zeigt. Tests haben gezeigt, dass die Ausführungsform von 6A und 8D besonders gut geeignet ist, um bei einer Vielzahl von Strömbedingungen Feuchtigkeit aus dem Fluid zu entfernen. Eine mögliche Erklärung ist, dass zusätzlich zum Aufweisen der Wassertropfen auffangenden Eigenschaften des Geflechtmaterials das relativ große Volumen, zu dem sich das wasserhaltige Fluid ausdehnt, wenn es von dem Anodenströmpfad 316 in den Wasserabscheider 700C eindringt, eine signifikante Expansion des gasförmigen Teils des Fluids verursacht. Dieses Ausdehnen bewirkt eine Verringerung der Geschwindigkeit des Fluids, während der flüssige Teil auf das Drahtgeflecht 710C aufprallt, wodurch er sich von dem Fluid abscheidet, woraufhin die Wirkungen der Schwerkraft das Sammeln der abgeschiedenen Tropfen im Auslass 720 fördern. Die Öffnungen 316A und 316B sowie die Abscheidekammer 750 und der Ablass 720C wirken in einer Weise, die im Allgemeinen der der vorherigen Variante von Wasserabscheidern ähnelt.
-
Unter Bezug insbesondere auf 7A, 7B und 8B wird ein Wasserabscheider 700D mit Platten- bzw. Lamellenstruktur gezeigt. Rückhaltungen 715D, die von den im Allgemeinen sinusförmigen Platten bzw. Lamellen 710D in den Fluidströmpfad ragen, werden zum Auffangen von Feuchtigkeit verwendet. Die im Allgemeinen vertikale Ausrichtung der Platten 710D fördert das Abwärtsströmen der gesammelten Wassertropfen in den Ablass 720D.
-
Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Einzelheiten zum Zweck der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt wurden, versteht sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.
