DE102009018105B4

DE102009018105B4 - Brennstoffzellensystem mit einem in wasserstoff eingebetteten brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102009018105B4
Application number: DE102009018105.9A
Authority: DE
Inventors: Jingxin Zhang; Hubert A. Gasteiger; Paul Tiachiang Yu; Frederick Wagner; Steven G. Goebel
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-04-23
Filing date: 2009-04-20
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2029-04-21
Also published as: CN101567461A; DE102009018105A1; US8043759B2; CN101567461B; US20090269627A1

Abstract

Brennstoffzellensystem (10), umfassend:
einen Brennstoffzellenstapel (10); und
eine Ummantelungsvorrichtung, die den Brennstoffzellenstapel (12) abdichtend umschließt, um eine Wasserstoffkammer (36) zwischen dem Brennstoffzellenstapel (12) und der Ummantelungsvorrichtung zu definieren; dadurch gekennzeichnet , dass
das Brennstoffzellensystem ferner eine Wasserstoffversorgungsleitung (28) in Fluidkommunikation mit der Wasserstoffkammer (36) aufweist, wobei der Brennstoffzellenstapel (12) einen Anodeneinlass (38) aufweist, der mit der Wasserstoffkammer (12) in Fluidkommunikation steht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem in Wasserstoff eingebetteten Brennstoffzellenstapel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie beispielsweise aus der US 3,850,694 A oder der US 2007/0281201 A1 bekannt.
HINTERGRUND
Eine Brennstoffzelle umfasst typischerweise eine Kathodenseite, eine Anodenseite, einen zwischen den Kathoden- und Anodenseiten schichtartig angeordneten Elektrolytabschnitt sowie eine elektrische Schaltung über die Anoden- und Kathodenseiten. Druckbeaufschlagter Wasserstoff wird an die Anodenseite geliefert und druckbeaufschlagter Sauerstoff (in Luft) wird an die Kathodenseite geliefert. Ein Katalysator an der Anodenseite trennt den Wasserstoff in Elektronen und Protonen. Da der Elektrolytabschnitt ein H⁺-Ionenleiter ist, wandern die Protonen von der Anodenseite durch den Elektrolytabschnitt an die Kathodenseite. Da jedoch der Elektrolytabschnitt auch ein elektrischer Isolator ist, treibt er die Elektronen dazu, durch die elektrische Schaltung zu fließen, um auf dem Weg zu der Kathodenseite der Brennstoffzellen Nutzarbeit zu verrichten. Überschüssiger Wasserstoff strömt von der Anodenseite weg und kann durch den Stapel oder zurück an eine Wasserstoffquelle rückgeführt werden. Ein Katalysator an der Kathodenseite elektrokatalysiert den druckbeaufschlagten Sauerstoff (in Luft), wobei die Protonen, die durch den Elektrolytabschnitt von der Anode fließen, und mit den Elektronen kombiniert werden, die durch die elektrische Schaltung fließen, um Wasser zu erzielen.
ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER
ERFINDUNG
Erfindungsgemäß wird ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.
Andere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgend bereitgestellten detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, nur zu Zwecken der Veranschaulichung bestimmt sind.
Figurenliste
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:

1 eine schematische Ansicht einer Brennstoffzelle ist, wenn eine H₂/Luft-Front in der Brennstoffzelle während der Inbetriebnahme oder des Abschaltens vorhanden ist;
2 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
3 eine schematische Ansicht eines Abschnitts eines Brennstoffzellensystems gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist;
4 eine schematische Ansicht eines Abschnitts eines Brennstoffzellensystems gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist;
5 eine schematische Ansicht eines Abschnitts eines Brennstoffzellensystems gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist;
6 eine schematische Ansicht eines Abschnitts eines Brennstoffzellensystems gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist;
7 eine schematische Ansicht eines Abschnitts eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist;
7a eine schematische Querschnittansicht des Abschnitts eines Brennstoffzellensystems von 7 ist;
8 eine schematische Ansicht eines Abschnitts eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist;
9 eine schematische Ansicht eines Abschnitts eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist;
10 eine schematische Ansicht eines Abschnitts des Brennstoffzellensystems von 1 ist; und
11 eine schematische Ansicht eines Abschnitts eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nun Bezug nehmend auf 1 ist eine H₂/Luft-Front F in einer Kraftfahrzeug-Brennstoffzelle 100 gezeigt, die eine Anodenseite 102, eine Kathodenseite 104 sowie eine Elektrolytmembran 106 dazwischen aufweisen kann. Allgemein kann die Front F während der Inbetriebnahme und dem Abschalten der Brennstoffzelle 100 gebildet werden und kann Kohlenstoffkorrosionsreaktionen an der Kathode und folglich eine Brennstoffzellenschädigung bewirken. Wenn die Brennstoffzelle 100 abgeschaltet wird und keine Last mehr über der Brennstoffzelle 100 anliegt, wird eine Strömung von Wasserstoff in die Anodenseite 102 beendet. Jedoch kann ein Teil des Wasserstoffs verbleiben und Luft kann in die Anodenseite 102 lecken, was hohe Kathodenpotentiale in dem Luft/ Luft-Teil der Brennstoffzellenelektrode zur Folge hat, die eine Katalysator- oder Katalysatorträgeroxidation sowie -korrosion und eine diese begleitende Verschlechterung der Brennstoffzellenleistung bewirken.
Genauer werden, wenn die Brennstoffzelle 100 abgeschaltet ist, in der Anodenseite 102 verbleibender Wasserstoff und in der Kathodenseite 104 verbleibender Sauerstoff durch Übertritt dieser Reaktandengase über die Elektrolytmembran 106 allmählich miteinander reagieren. Ferner kondensiert Wasserdampf, der während normaler Betriebsbedingungen in den Anoden- und Kathodenabteilen gebildet wird, in flüssiges Wasser, wenn die Brennstoffzelle 100 nach dem Abschalten abkühlt. Dieses Abkühlen und diese Kondensation können auch einen Vakuumzustand in der Brennstoffzelle 100 erzeugen. Infolgedessen kann Sauerstoff in der die Brennstoffzelle 100 umgebenden Luft zurück in die Brennstoffzelle 100 unter dem Vakuumzustand diffundieren und kann dadurch die H_2/Luft-Front F bilden. Bei Inbetriebnahme und bei Annahme, dass die Anoden- und Kathodenseiten 102, 104 mit Luft gefüllt sind, kann dann druckbeaufschlagter Wasserstoff in die Anodenseite 102 zugeführt werden, wodurch die H₂/Luft-Front F wieder gebildet wird.
In sowohl dem Abschalt- als auch dem Inbetriebnahmefall trennt die H₂/Luft-Front F in der Anodenseite 102 die Anoden- und Kathodenabteile über die Brennstoffzelle 100, wie gezeigt ist. Wasserstoff in dem Anodenabteil auf einer Seite der Front F stellt Protonen und Elektronen über eine Wasserstoffoxidationsreaktion (HOR) bereit. Die Elektronen von der HOR erfordern eine O₂-Reduktionsreaktion (ORR) in dem Anodenabteil auf der anderen Seite der Front F, während die Protonen von der HOR durch die Membran 106 zu dem Kathodenabteil für eine andere ORR wandern. Da sich die Elektronen der ORR in dem Anodenabteil mit Protonen kombinieren und da ein Protonentransportwiderstand durch die Membran 106 für eine Distanz oberhalb etwa 2,5 mm unendlich groß wird, finden die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) (Gleichung 1) und die Kohlenstoffoxidationsreaktion (COR) (Gleichung 2) in dem Kathodenabteil statt, um Protonen zum Ausgleich der ORR in dem Anodenabteil bereitzustellen. $\begin{matrix} H_{2} O = \frac{1}{2} O_{2} + 2 H^{+} + 2 e^{-} & (E_{rev} = + 1. 23 V) \end{matrix}$
$\begin{matrix} C + {2H}_{2} O = {CO}_{2} + 4 H^{+} + 4 e^{-} & (E_{rev} = + 0. 21 V) \end{matrix}$
Die Kathodenpotentiale können 1,2 - 1,5 V erreichen, und mit der Zeit hat diese relativ hohe Spannung den Verlust von den Katalysator tragendem Kohlenstoffsubstrat an der Kathodenseite zur Folge. Ein Verlust von Kathodensubstrat und Katalysatorfläche reduziert die Betriebsspannung und begrenzt schließlich die Lebensdauer der Brennstoffzelle 100.
Nun Bezug nehmend auf 2 kann eine Ausführungsform der Erfindung ein Brennstoffzellensystem 10 aufweisen, das eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Der Stapel 12 kann eine Anodenseite 14, eine Kathodenseite 16 und eine Membran 18, wie eine Festpolyelektrolytmembran, zwischen den Anoden- und Kathodenseiten 14, 16 aufweisen. Eine Luftquelle oder eine Einlassleitung 19 kann mit einem Luftkompressor 20 verbunden sein, und eine Auslassleitung 22 des Luftkompressors kann von dem Kompressor 20 mit der Kathodenseite 16 des Brennstoffzellenstapels 12 durch ein erstes oder Kathodeneinlassventil 24 verbunden sein, das in der Auslassleitung 22 des Luftkompressors vorgesehen ist. Eine Batterie B kann mit dem Luftkompressor 20 verbunden sein, um diesen mit Leistung zu beaufschlagen. Es kann eine Wasserstoffquelle 26 vorgesehen sein, wie komprimierter Wasserstoff in einem Speichertank oder flüssiger Wasserstoff in einem Speichertank. Eine Wasserstoffversorgungsleitung 28 kann vorgesehen sein, die mit einem Ende an der Wasserstoffquelle 26 und mit einem zweiten Ende an der Anodenseite 14 eines Brennstoffzellenstapels 12 durch ein zweites oder Anodeneinlassventil 30 verbunden ist, das in der Wasserstoffversorgungsleitung 28 vorgesehen ist, um die Gasströmung hindurch zu steuern.
Eine Ummantelung 32 kann zumindest teilweise den Brennstoffzellenstapel 12 umschließen und kann als ein Teil einer Ummantelungsvorrichtung vorgesehen sein, um die Menge an Luft oder O₂ zu reduzieren, die in den Brennstoffzellenstapel 12 diffundieren oder anderweitig eintreten kann, wie nach einem Abschaltprozess eines Brennstoffzellenstapels. Die Ummantelung 32 kann aus einem beliebigen geeigneten Material bestehen. Beispielsweise kann ein korrosionsbeständiges Metall (beispielsweise Aluminium oder rostfreier Stahl) dazu verwendet werden, um eine Permeation oder Diffusion von Gas hindurch auszuschließen. Bei einem anderen Beispiel kann ein Metall-Kunststoff-Verbundmaterial verwendet werden, das Kunststoff an der Innenseite, um einen Kurzschluss in dem Fall eines Kontakts mit elektrisch leitenden Teilen des Stapels 12 zu vermeiden, und ein korrosionsbeständiges Metall an der Außenseite aufweist, um eine Auswärtsdiffusion von H₂ und eine Einwärtsdiffusion von atmosphärischem Sauerstoff zu minimieren. Eine beispielhafte Dicke der Ummantelungswand für eine beispielhafte Brennstoffzelle mit 300 Zellen, Seitenwänden mit 300 x 450 mm und einem Betrieb bei 80 kPa kann für Aluminium Al-6061 etwa 5 mm betragen. Die gesamte oder ein Teil der Außenfläche der Ummantelung 32 kann so ausgebildet sein, um eine Wärmeisolierung 33 (bruchstückhaft gezeigt) zu tragen, um so die Stapelkühlzeitdauer nach einer Abschaltung zu verlängern. Dies verhindert, dass der Stapel 12 schnell Wärme während einer kurzen Abschaltung unter Bedingungen unterhalb des Nullpunkts verliert. Dies kann für einen nachfolgenden Inbetriebnahmevorgang nützlich sein und reduziert die Anzahl von Gefrier-Auftau-Zyklen während der Inbetriebnahme bei Temperaturen unterhalb des Nullpunkts signifikant. Auch kann die Ummantelung 32 als eine doppelschalige Vakuumummantelung ausgebildet sein.
In jedem Fall kommuniziert die Wasserstoffversorgungsleitung 28 mit einem Einlassdurchlass 34 der Ummantelung 32, in der Wasserstoff in ein Innenvolumen oder eine Wasserstoffkammer 36 zwischen einer Innenfläche der Ummantelung 32 und dem Äußeren des Brennstoffzellenstapels 12 strömt. Für einen typischen Stapel mit voller Größe kann ein beispielhaftes geschätztes Gasvolumen zwischen dem Stapel 12 und der Ummantelung 32 etwa 5 bis 20 Liter betragen und kann somit vergleichbar mit einem Reaktandenvolumen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 sein, wie innerhalb etwa 20 % desselben. Jedoch kann das Volumen zwischen dem Stapel 12 und der Ummantelung 32 eine beliebige geeignete Größe besitzen. Bei einem anderen Beispiel kann dieses Volumen so groß sein, wie es der Einbau des Systems 10 in einem Fahrzeug zulässt. Das Wasserstoffgas strömt in die Wasserstoffkammer 36 und strömt schließlich in den Brennstoffzellenstapel 12 durch einen Anodeneinlass 38. Die Auslassleitung 22 des Luftkompressors kommuniziert durch die Ummantelung 32 und mit dem Brennstoffzellenstapel 12 durch einen Kathodeneinlass 40.
Die Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 kann zumindest teilweise mit einem beliebigen geeigneten Schaum 37 (bruchstückhaft gezeigt) mit einer Porengröße gefüllt sein, die ausreichend ist, um eine Flammenausbreitung zu verhindern. Der Schaum 37 kann ein beliebiges Material sein, beispielsweise ein nichtleitendes Material, um einen Kontakt mit dem Stapel 12 ohne elektrischen Kurzschluss zu ermöglichen. Der Schaum 37 kann offenporig sein, um eine Strömung mit einer Porengröße von etwa 1 mm zuzulassen. Die Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 kann auch einen Katalysator 35 (bruchstückhaft gezeigt) darin aufweisen, um einen Verbrauch von O₂ in Luft zu unterstützen, die bei verlängerten Abschaltungen in die Ummantelung 32 eintreten kann. Beispielsweise kann eine Innenfläche der Ummantelung 32 oder ein Abschnitt derselben mit dem Katalysator 35 beschichtet sein.
Es können ein oder mehrere Sensoren 42 in Kommunikation mit der Wasserstoffkammer 36 angeordnet sein, um Niveaus an O₂ oder Luftlecks zu überwachen. Beispielsweise kann/können der/die Sensor(en) 42 einen O₂-Sensor und/oder ein katalysatorbeschichtetes Thermoelement oder einen anderen geeigneten Typ von Temperatursensor aufweisen. Ein O₂-Sensor innerhalb der Ummantelung 32 kann auf 10 % O₂ oder weniger eingestellt sein, um eine Meldung über ein Leck von O₂ zu geben oder eine Abschaltung des Stapels 12 in dem Fall eines katastrophalen Ausfalls von Stapeldichtungen auszulösen. Der Temperatursensor kann Luft innerhalb der Ummantelung detektieren, wobei H₂ in die Ummantelung 32 gepulst werden kann, um die Anwesenheit unerwünschter Mengen von Luft über Temperaturanstieg zu detektieren, der durch den katalysatorbeschichteten Temperatursensor angegeben wird. Ferner kann ein H₂-Verbrennungskatalysator (wie Pt) in der Ummantelung 32 beschichtet sein, um jeglichen, aus dem Stapel 12 leckenden Sauerstoff zu verbrauchen.
Es kann eine Kathodenaustragsleitung 44 vorgesehen sein, die sich durch die Ummantelung 32 erstrecken kann. Die Leitung 44 kann an einem Ende direkt mit dem Brennstoffzellenstapel 12 verbunden sein und kann ein drittes oder Kathodenauslassventil 46 zur Steuerung der Gasströmung hindurch aufweisen. Ähnlicherweise kann eine Anodenaustragsleitung 48 vorgesehen sein, die sich durch die Ummantelung 32 erstrecken kann. Die Leitung 48 kann an einem Ende direkt mit dem Brennstoffzellenstapel 12 verbunden sein und kann ein viertes oder Anodenauslassventil 50 zur Steuerung der Gasströmung hindurch aufweisen. Die Absperrventile 24, 30, 46, 50 können benachbart des Stapels angeordnet sein.
Ein elektrischer Pfad 52 kann mit dem Brennstoffzellenstapel 12 verbunden sein und kann eine elektrische Vorrichtung oder Last 54 und einen elektrischen Schalter 56 aufweisen, um die Last 54 mit dem Brennstoffzellenstapel 12 zu verbinden und von diesem zu trennen. Die Last 54 kann ein Elektromotor oder eine elektrische Maschine zum Antrieb eines Fahrzeugs sein. Der Kompressor 20 kann durch Elektrizität, die von dem Brennstoffzellenstapel 12 erzeugt wird, mit Leistung beaufschlagt werden. Der Kompressor 20 und die Ventile 24, 30, 46, 50 können auf eine beliebige geeignete Art und Weise gesteuert werden, wie durch einen Brennstoffzellensystem-Controller (nicht gezeigt) oder dergleichen.
Im Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels 12 kann das erste Ventil 24 in der Auslassleitung 22 des Luftkompressors offen sein und das dritte Ventil 46 in der Kathodenaustragsleitung 44 kann ebenfalls offen sein, so dass die Luft durch die Kathodenseite 16 des Brennstoffzellenstapels 12 geliefert werden kann. Gleichermaßen kann das zweite Ventil 30 in der Wasserstoffversorgungsleitung 28 offen sein und das vierte Ventil 50 in der Anodenaustragsleitung 48 kann ebenfalls offen sein, so dass Wasserstoff durch die Anodenseite 14 des Brennstoffzellenstapels 12 geliefert werden kann. Die Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 kann sich bei Anodeneinlassdruck befinden, und der Einlass-H₂ kann auf beliebige geeignete Art und Weise auf Stapelbetriebstemperatur vorgewärmt werden. Auch können Kühlmittelüberbordlecks in den Anodeneinlass geführt werden. Für Konstruktionen, bei denen der Anodenauslass zu der Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 austrägt (beispielsweise 6), kann sich die Wasserstoffkammer 36 bei Anodenauslassdruck befinden und es kann eine Kondensation darin erfolgen.
Während einer Abschaltung des Brennstoffzellenstapels kann die Last 54 von dem Brennstoffzellenstapel 12 durch Öffnen des Schalters 56 in dem elektrischen Pfad 52 getrennt werden. Eine Zusatzleistung, beispielsweise von der Batterie B, kann dazu verwendet werden, verschiedene Komponenten des Brennstoffzellensystems 10, einschließlich dem Luftkompressor 20 zu betreiben. Jedoch kann eine Beibehaltung einer gewissen Last an dem Stapel 12 zum Verbrauch von einem Teil der Kathodenluft eine Leerlaufspannung zumindest während der Stapelabschaltung vermeiden. Vor der Abschaltung kann die Kathodenseite 16 bei hohen Luftströmungen betrieben werden, um den Stapel 12 für Gefriertemperaturen vorzubereiten, und anschließend können die Kathodeneinlass- und -ausslassventile 24, 26 danach geschlossen werden.
Eines oder beide der Anodeneinlass- und -ausslassventile 30, 50 können gemäß vorbestimmten Abschaltdrücken und/oder -temperaturen geschlossen werden, beispielsweise, nachdem die Kathodeneinlass- und Auslassventile 24, 46 geschlossen sind.
Die Wasserstoffversorgung kann innerhalb der Wasserstoffkammer 36 bei einem Druck oberhalb atmosphärischem Druck beibehalten werden, um zu verhindern, dass Luft von der Atmosphäre eindringt, während die Kathodenseite 16 immer noch mit nicht verbrauchtem Sauerstoff gefüllt ist. Beispielsweise kann der erhöhte Druck von H₂ dadurch aufrechterhalten werden, dass das Anodenauslassventil 50 geschlossen wird und das Anodeneinlassventil 30 zumindest teilweise und/oder periodisch offen gehalten wird.
Gemäß einer Ausführungsform kann der H₂-Abschaltdruck über normale Betriebsdrücke erhöht werden, beispielsweise auf 160 - 180 kPa_absolut (kPa_abs) und zwar abhängig von bestimmten Stapel- und Ummantelungsvolumen und -temperaturen, um nach einem Abkühlen einen positiven H₂-Druck sicherzustellen, wobei zu diesem Punkt die H₂-Ventile geschlossen sind und keine aktive H₂-Steuerung mehr erforderlich ist. Das Vakuum, das durch Abkühlen (beispielsweise Wasserdampfkondensation) und H_2/O₂-Rekombination in dem Stapel 12 erzeugt wird, kann durch den anfänglich erhöhten Druck von H₂ in der Ummantelung 32 ausgeglichen werden. Nach einem Abschalten, wie nach kathodenseitigen Luftspülungen kann das System 10 in einem passiven Zustand sein, in dem keine aktive Steuerung auf die Einlass- oder Auslassventile 30, 50 angewendet werden muss.

Das Gesamtummantelungsvolumen kann mit dem Abschaltdruck variieren, und Tabelle A zeigt eine derartige Variation des Abschaltdrucks und -volumens innerhalb einer Ummantelung bei zwei verschiedenen Abschalttemperaturen und unter der Annahme eines endgültigen Gesamtdrucks von 110 kPaabs innerhalb der Ummantelung. In den Berechnungen sind Gasphase und Oberflächen-O₂, Druckabfall aufgrund von H₂O-Kondensation wie Gasabkühlung berücksichtigt worden. Diese Volumen können durch Verbrauch des Sauerstoffs innerhalb des aktiven Bereichs signifikant reduziert werden, wie durch den zweiten Satz von Zahlen in Klammern gezeigt ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Strömung von Luft bei Abschaltung blockiert wird und der Sauerstoff in dieser Luft dadurch verbraucht wird, dass eine Last an den Stapel angelegt wird, bis die Spannung sich 0 annähert, während der Wasserstoffdruck beibehalten wird. Anschließend werden alle Ventile zu und von dem Stapel geschlossen.

Temperatur (°C)	Druck (kPa_abs)	Volumen (L bei 110 kPa_abs), [ohne O₂ der aktiven Fläche]
80	180	17,8, [2,1]
	160	34,4, [8,5]
	140	140, [50]
60	180	11,9, [0,7]
	160	21,7, [4,9]
	140	57,4, [21]

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Anodeneinlassventil 30 aktiv eingestellt werden, um einen relativ kleineren H₂-Überdruck in der Ummantelung 32 aufrechtzuerhalten, beispielsweise etwa 110 - 120 kPaabs, bis der Stapel 12 auf eine vorbestimmte Temperatur, wie etwa 30 bis 50°C und insbesondere etwa 40°C abgekühlt ist, wobei die H_2/O₂-Rekombination innerhalb des Stapels 12 im Wesentlichen beendet ist. Nach dieser Zeitdauer, die etwa 15 - 30 Minuten andauern kann, kann das H₂-Einlassventil 30 geschlossen werden und der Stapel 12 abgeschaltet werden. Jeglicher H₂-Verlust, der durch Füllen der Ummantelung 32 bei jeder Abschaltung auf einen erhöhten Druck bewirkt wird, entspricht weniger als etwa 0,5 Mega-Joule (MJ).
In jedem Fall beginnt dann die Stapelspannung abzufallen, und der in der Anodenseite 14 abgedichtete H2 kann den O₂ in der Kathodenseite 16 durch H₂-Übertritt allmählich verbrauchen, während O₂, der von der Kathodenseite 16 durch die Membran 18 übertritt, durch H₂ in der Anodenseite 14 verbraucht werden kann. Demgemäß wird ermöglicht, dass Sauerstoff in dem Stapel durch Wasserstoff verbraucht wird. Wenn die Zellenspannung auf etwa 0,05 V abgesunken ist, ist der Sauerstoff in der Kathodenseite 16 durch Wasserstoff, der von der Anodenseite 14 durch die Festelektrolytmembran 18 zu der Kathodenseite 16 übertritt, verbraucht worden. Somit kann die Kathodenseite 16 nun mit Stickstoff und Wasserdampf gefüllt werden. Der H₂ in der Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 diffundiert allmählich in den Stapel 12, wenn der Stapel 12 abkühlt, was zu einer Kondensation von Wasserdampf wie auch einer Volumenreduktion des Gases innerhalb des Gases 12 führt.
Der Gasdruck zwischen dem Inneren des Stapels 12 und der Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 gleicht sich schließlich aus. Der endgültige Druck wird durch das Volumen der inneren Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32, die Systemdrücke an dem Punkt der Abschaltung wie auch das freie Volumen, das innerhalb des Stapels 12 aufgrund des Verbrauchs von Reaktandengasen und aufgrund von Wasserdampfkondensation erzeugt wird, bestimmt.
Aufgrund des Wasserstoffüberschusses in dem umschlossenen Stapel 12 kann übrig gelassener Sauerstoff in der Kathodenseite 16 nach Abschaltung verbraucht werden, wodurch die Kathoden- und Anodenseiten mit einem H2/N2-Gasgemisch gefüllt bleiben. Bei Inbetriebnahme ist keine H₂/Luft-Front in der Anodenseite 14 vorhanden, und, wenn eine Kathodenseite mit H_2/N₂-Gemischen gefüllt werden kann, erfolgt keine Schädigung der Kathodenseite während der Inbetriebnahme durch irgendeine H₂/N₂-Front in einer Anodenseite.
Nach Abschaltung kann der Druck in der Ummantelung 32 auf einem erhöhten Druck aufrechterhalten werden, gerade oberhalb atmosphärischem Druck, wie mit einem Druckreglerventil, das ein Einlassventil 30 sein kann. Demgemäß kann das Druckreglerventil periodisch aktiv oder passiv geöffnet werden, um den erhöhten Druck aufrechtzuerhalten. Das Druckreglerventil erlaubt eine Trennung der Wasserstoffversorgung mit Ausnahme während der periodischen Füllzyklen, und jeglicher schnelle und/oder forgesetzte Abfall des Ummantelungsdrucks gibt ein Leck an. Zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach der Abschaltung kann die Wasserstoffversorgung durch aktives Schließen des Ventils 30 eingestellt werden.
Mit der derzeit offenbarten Vorrichtung und dem derzeit offenbarten Verfahren strömt H₂ durch die Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32. Wenn jedoch die Wasserstoffkammer 36 nicht durch Reaktanden-H₂ gespült wurde, dann kann das Gas innerhalb der Wasserstoffkammer 36 O₂ aufgrund von Lecks von der Kathodenseite des Stapels 12 enthalten. Somit werden, wenn ein Durchströmungssystem verwendet wird, wie in 2 gezeigt ist, O₂ und jegliche Feuchtigkeit (H₂O-Dampf), der aus dem Stapel 12 herausleckt, an die Anode geführt und durch H₂-Oxidation an einer Anodenkatalysatorfläche elektrochemisch verbraucht. Daher kann eine H₂-Atmosphäre ohne O₂ während sowohl des Betriebs als auch der Abschaltung sichergestellt werden.
Allgemein Bezug nehmend auf die 3 bis 9 zeigen diese Figuren andere Ausführungsformen eines Brennstoffzellensystems. Diese Ausführungsformen sind in vielerlei Hinsicht ähnlich der Ausführungsform von 2, und gleiche Bezugszeichen zwischen den Ausführungsformen bezeichnen allgemein gleiche oder entsprechende Elemente über die verschiedenen Ansichten der Zeichnungsfiguren hinweg. Zusätzlich sind die Beschreibungen der Ausführungsformen ineinander durch Bezugnahme eingeschlossen, und der bekannte Gegenstand muss allgemein nicht wiederholt werden.
Bezug nehmend auf 3 kann ein zweites Brennstoffzellensystem 310 eine Befeuchtungsvorrichtung aufweisen, die eine Befeuchterleitung 358, ein Befeuchterventil 360 und einen Befeuchter 362 aufweist. Ein Einlassende der Befeuchterleitung 358 kann in Fluidkommunikation mit der Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 vorgesehen sein, und ein Auslassende der Befeuchterleitung 358 kann in direkter Fluidkommunikation mit dem Anodeneinlass 38 des Stapels 12 vorgesehen sein.
Demgemäß strömt Wasserstoff durch die Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 und strömt ferner aus der Ummantelung 32 durch die Befeuchterleitung 358 und das Ventil 360 entlang seines Weges zu dem Befeuchter 362 heraus, bevor er direkt zurück in die Ummantelung 32 und in den Anodeneinlass 38 des Brennstoffzellenstapels 12 geliefert wird. Das Ventil 360 kann auf eine beliebige geeignete Art und Weise gesteuert werden, wie durch einen Brennstoffzellensystem-Controller (nicht gezeigt) oder dergleichen.
Bezug nehmend auf 4 kann ein drittes Brennstoffsystem 410 eine Anodenrückführvorrichtung aufweisen, die eine Rückführleitung 464, die sich durch und außerhalb der Ummantelung 32 erstreckt, eine Rückführpumpe 466 in Fluidkommunikation mit der Rückführleitung 464 und eine Rückführverzweigung bzw. ein Rückführ-T-Stück 468 in Fluidkommunikation mit der Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 und mit der Rückführleitung 464 aufweist. Die Rückführleitung 464 kann abdichtend durch die Ummantelung 32 verlaufen, wie mit beliebigen geeigneten Dichtungen dazwischen (nicht gezeigt). Ein Einlassende der Rückführleitung 464 kann in direkter Fluidkommunikation mit einem Anodenauslass 39 des Brennstoffzellenstapels 12 stehen, ein Auslassende der Rückführleitung 464 kann in direkter Fluidkommunikation mit dem Anodeneinlass 38 des Stapels 12 stehen und ein Zwischenabschnitt kann in Fluidkommunikation mit einer Ablassleitung 470 oberstromig der Pumpe 466 stehen.
Demgemäß strömt Wasserstoff in die Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32, in das Rückführ-T-Stück 468, in den Anodeneinlass 38, durch den Brennstoffzellenstapel 12, aus dem Anodenauslass 39, durch die Rückführleitung 464 und die Pumpe 466 und direkt zurück in den Anodeneinlass 38. Wasserstoff kann auch aus der Rückführleitung 464 durch die Ablassleitung 470 strömen. Die Pumpe 466 kann auf eine beliebige geeignete Art und Weise gesteuert werden, wie durch einen Brennstoffzellensystem-Controller (nicht gezeigt) oder dergleichen. Für eine gute Entlüftung können der Einlass 38 und der Auslass 39 allgemein gegenüberliegend zueinander angeordnet sein, wie an im Wesentlichen gegenüberliegenden Ecken des Stapels 12.
Bezug nehmend auf 5 kann ein viertes Brennstoffsystem 510 eine Anodenrückführvorrichtung aufweisen, die eine Rückführleitung 464, die sich innerhalb der Ummantelung 32 erstreckt, eine Rückführpumpe 566 in Fluidkommunikation mit der Rückführleitung 564 und ein Rückführ-T-Stück 568 in Fluidkommunikation mit der Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 und mit der Rückführleitung 564 aufweist. Die Pumpe 566 kann in der Ummantelung 32 angeordnet sein, um die Anzahl von Ummantelungsdurchdringungen zu minimieren und Pumpendichtungsanforderungen zu vermeiden. Ein Einlassende der Rückführleitung 564 kann in direkter Fluidkommunikation mit dem Anodenauslass 39 des Brennstoffzellenstapels 12 stehen, ein Auslassende der Rückführleitung 564 kann in direkter Fluidkommunikation mit dem Anodeneinlass 38 des Stapels 12 stehen und ein Zwischenabschnitt kann in Fluidkommunikation mit einer Ablassleitung 570 oberstromig der Pumpe 566 stehen. Die Ablassleitung 570 kann ein Ventil 571 aufweisen, um eine Freigabe von Übertrittsstickstoff (und gemischtem Wasserstoff) von der Anode zu ermöglichen, wie beispielsweise, wenn eine Konzentration von N₂ einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Demgemäß strömt Wasserstoff allgemein in die Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32, in das Rückführ-T-Stück 568, in den Anodeneinlass 38, durch den Brennstoffzellenstapel 12, aus dem Anodenauslass 39 heraus, durch die Rückführleitung 564 und die Pumpe 566 und direkt zurück in den Anodeneinlass 38. Wasserstoff kann auch aus der Rückführleitung 564, durch die Ablassleitung 570 und aus der Ummantelung 570 heraus strömen. Die Pumpe 566 kann auf eine beliebige geeignete Art und Weise gesteuert werden, wie durch einen Brennstoffzellensystem-Controller (nicht gezeigt) oder dergleichen.
Bezug nehmend auf 6 kann ein fünftes Brennstoffsystem 610 eine Anodenrückführvorrichtung aufweisen, die eine Rückführleitung 664, die sich durch und außerhalb der Ummantelung 32 erstreckt, eine Rückführpumpe 666 in Fluidkommunikation mit der Rückführleitung 664 und eine Ablaufleitung 672 aufweist, die ein Einlassende in Fluidkommunikation mit der Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 besitzt und durch die Ummantelung 32 verläuft. Die Ablaufleitung 672 kann abdichtend durch die Ummantelung 32 verlaufen, wie mit beliebigen geeigneten Dichtungen dazwischen (nicht gezeigt). Die Ablaufleitung 672 kann durch die Ummantelung 32 vorgesehen sein, um eine Kondensation zu beseitigen, und kann ein Ablass- oder Entlüftungsventil 673 oder dergleichen aufweisen. Wenn innerhalb der Ummantelung aufgrund einer Wasserkondensation von dem Anodenaustritt eine signifikante Wasseransammlung vorhanden ist, kann das Ablaufleitungsventil 673 geöffnet werden. Ein Einlassende der Rückführleitung 664 kann in Fluidkommunikation mit der Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 stehen, ein Auslassende der Rückführleitung 664 kann in direkter Fluidkommunikation mit dem Anodeneinlass 38 des Brennstoffzellenstapels 12 stehen und ein Zwischenabschnitt kann in Fluidkommunikation mit einer Ablassleitung 670 oberstromig der Pumpe 666 stehen.
Demgemäß strömt Wasserstoff allgemein in die Rückführleitung 664 unterstromig der Pumpe 666 und in den Anodeneinlass 38, durch den Brennstoffzellenstapel 12, aus dem Anodenauslass 39 heraus in die Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32, durch die Rückführleitung 664 und die Pumpe 666 und direkt zurück in den Anodeneinlass 38. Wasserstoff kann auch aus der Rückführleitung 664, durch die Ablassleitung 670 und aus der Ummantelung heraus strömen. Die Pumpe 666 kann auf eine beliebige geeignete Art und Weise gesteuert werden, wie beispielsweise durch einen Brennstoffzellensystem-Controller (nicht gezeigt) oder dergleichen.
Bezug nehmend auf 7 kann ein sechstes Brennstoffzellensystem 710 eine Wasserstoffverteilungsleitung 774 aufweisen, die in der Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 angeordnet ist und in Fluidkommunikation mit der Wasserstoffversorgungsleitung 28 steht. Das System 710 kann auch eine Ablenkeinrichtung 776 aufweisen, die oberstromig des Rohres 774 innerhalb der Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 angeordnet ist und in abdichtendem Kontakt zwischen einem inneren Abschnitt der Ummantelung 32 und einem äußeren Abschnitt des Brennstoffzellenstapels 12 steht. Die Ablenkeinrichtung 776 kann aus einem beliebigen geeigneten Material bestehen, wie beispielsweise jeglichem geeigneten nachgiebigem Schaum, um so an die Wände des Stapels 12 und der Ummantelung 32 zu passen. Die Verteilungsleitung 774 und die Ablenkeinrichtung 776 treiben den Wasserstoff zu einer Umströmung um den Umfang des Stapels 12 innerhalb der Ummantelung 32. Das System 710 kann ferner eine Ablassleitung 770 in direkter Fluidkommunikation mit dem Anodenauslass 39 des Brennstoffzellenstapels 12 aufweisen, die sich durch und außerhalb der Ummantelung 32 erstreckt. Demgemäß strömt Wasserstoff in und durch die Verteilungsleitung 774 in die Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung. Aufgrund der Ablenkeinrichtung 776 strömt der Wasserstoff unterstromig der Verteilungsleitung 774, um den Umfang des Brennstoffzellenstapels 12, in den Anodeneinlass 38 des Stapels 32 gerade oberstromig der Ablenkeinrichtung 776 und aus dem Anodenauslass 39 des Stapels 12 und aus der Ummantelung 32 durch die Ablassleitung 770.
Bezug nehmend auf 7A ist ein Abschnitt des sechsten Brennstoffsystems 710 in einer Querschnittsansicht dargestellt, um einen peripheren Strömungsdurchgang zu demonstrieren. Der Brennstoffzellenstapel 12 kann mehrere Platten 12a (eine einzelne gezeigt) aufweisen, die eine Dichtung 12b, die einen Anodeneinlassabschnitt 38a des Anodeneinlasses 38 definiert (7), und eine Anodenauslasssammelleitung 39a in Fluidkommunikation mit dem Anodenauslass 39 aufweist (7). In dieser Ansicht ist zu sehen, dass Wasserstoff durch die Wasserstoffversorgungsleitung 28 durch die Ummantelungswand und durch die Verteilungsleitung 774 in die Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 strömt. Da die Ablenkeinrichtung 776 unterstromig des Anodeneinlassabschnitts 38a angeordnet sein kann, kann Wasserstoff zur Strömung zwischen der Dichtung 12b und der Ummantelung 32 um den Umfang des Stapels 12 bis zu einem Punkt gerade oberstromig der Ablenkeinrichtung 776 getrieben werden. Von dort kann er in den Stapel 12 durch den Anodeneinlassabschnitt 38a strömen. Überschüssiger Wasserstoff, der in dem Brennstoffzellenstapel nicht verbrannt wird, strömt aus der Anodenauslasssammelleitung 39a und dem Auslass 39 heraus.
Bezug nehmend auf 8 kann ein siebtes Brennstoffzellensystem 810 eine Wasserstoffverteilungsleitung 874 aufweisen, die in der Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 angeordnet ist und in Fluidkommunikation mit der Wasserstoffversorgungsleitung 28 steht. Das System 810 kann auch eine Ablenkeinrichtung 876 aufweisen, die oberstromig des Rohres 874 in der Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 angeordnet ist und in abdichtendem Kontakt zwischen einem Innenabschnitt der Ummantelung 32 und einem Außenabschnitt des Brennstoffzellenstapels 12 steht. Das System 810 kann ferner eine Anodenrückführvorrichtung mit einer Rückführleitung 864, die durch und außerhalb der Ummantelung 32 verläuft, einer Rückführpumpe 866 in Fluidkommunikation mit der Rückführleitung 864 und einem Rückführ-T-Stück 868 in Fluidkommunikation mit der Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 und mit der Rückführleitung 864 aufweisen. Ein Einlassende der Rückführleitung 864 kann in direkter Fluidkommunikation mit dem Anodenauslass 39 des Brennstoffzellenstapels 12 stehen, ein Auslassende der Rückführleitung 864 kann in direkter Fluidkommunikation mit dem Anodeneinlass 38 des Stapels 12 stehen, und ein Zwischenabschnitt kann in Fluidkommunikation mit einer Ablassleitung 870 oberstromig der Pumpe 866 stehen.
Demgemäß strömt Wasserstoff in und durch die Verteilungsleitung 874 in die Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung. Aufgrund der Ablenkeinrichtung 876 strömt der Wasserstoff unterstromig der Verteilungsleitung 874 um den Umfang des Brennstoffzellenstapels 12 herum und in das Rückführ-T-Stück 868 und den Anodeneinlass 38 des Stapels 32 gerade oberstromig der Ablenkeinrichtung 876. Von dort kann er durch den Brennstoffzellenstapel 12, aus dem Anodenauslass 39 heraus, durch die Rückführleitung 864 und die Pumpe 866 und direkt zurück in den Anodeneinlass 38 strömen. Wasserstoff kann auch aus der Rückführleitung 864 durch die Ablassleitung 870 heraus strömen.
Bezug nehmend auf 9 kann ein achtes Brennstoffsystem 910 eine Anodenrückführvorrichtung mit einer Rückführleitung 964, die durch und außerhalb der Ummantelung 32 verläuft, einer Rückführpumpe 966 in Fluidkommunikation mit der Rückführleitung 964 und einer Ablaufleitung 972 aufweisen, die ein Einlassende in Fluidkommunikation mit der Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 aufweist und durch die Ummantelung 32 verläuft. Ein Einlassende der Rückführleitung 964 kann in Fluidkommunikation mit der Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 stehen, ein Auslassende der Rückführleitung 964 kann in direkter Fluidkommunikation mit dem Anodeneinlass 38 des Brennstoffzellenstapels 12 stehen und ein Zwischenabschnitt kann in Fluidkommunikation mit einer Ablassleitung 970 oberstromig der Pumpe 966 stehen. Das System 910 kann auch eine Ablenkeinrichtung 976 aufweisen, die oberstromig des Anodenauslasses 39 innerhalb der Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 angeordnet ist und in abdichtendem Kontakt zwischen einem Innenabschnitt der Ummantelung 32 und einem Außenabschnitt des Brennstoffzellenstapels 12 steht.
Demgemäß strömt Wasserstoff allgemein in die Rückführleitung 964 unterstromig der Pumpe 966 und in den Anodeneinlass 38, durch den Brennstoffzellenstapel 12, aus dem Anodenauslass 39 heraus, in die Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 und um den Umfang des Brennstoffzellenstapels 12 herum. Die Ablenkeinrichtung 976 lenkt die Wasserstoffströmung aus der Ummantelung 32 heraus, durch die Rückführleitung 964 und die Pumpe 966 und direkt zurück in den Anodeneinlass 38. Der Wasserstoff kann auch aus der Rückführleitung 964 durch die Ablassleitung 970 herausströmen.
Bezug nehmend auf 10 kann eine Brennstoffzellenvorrichtung 11 den Brennstoffzellenstapel 12 und die Ummantelung 32 von 2 aufweisen. Die Ummantelung 32 kann eine kontinuierliche Wand oder eine hülsenartige Komponente aufweisen, die den Stapel 12 zumindest teilweise umgibt und diesen abdichtend umschließt. Selbstverständlich muss die Ummantelungsvorrichtung den Stapel 12 nicht vollständig abdichtend umschließen, da Zutritte und Austritte für den Stapel 12 vorgesehen sein können. In jedem Fall kann die Ummantelung 32 allgemein durch Endplatten 80, 81 der Vorrichtung 11 getragen werden, die den Brennstoffzellenstapel 12 dazwischen schichtartig anordnen. Genauer kann die Ummantelung 32 abdichtend mit den Endplatten 80, 81 auf eine beliebige geeignete Art und Weise gekoppelt werden. Beispielsweise kann die Ummantelung 32 an die Endplatten 80, 81 geschweißt, einteilig angebracht und/oder unter Verwendung von Befestigungseinrichtungen 82, wie Kopfschrauben, Bolzen, etc. separat angebracht werden. Und es können eine oder mehrere Dichtungen 83, wie Radialdichtungen oder ein oder mehrere beliebige geeignete Typen, zwischen der Ummantelung 32 und den Endplatten 80, 81 angeordnet sein, um zumindest teilweise die abgedichtete Wasserstoffkammer 36 der Ummantelung 32 zu definieren. Die Ummantelung 32 kann Verbinder 84, 85 tragen, die elektrische Signale oder Leistung kommunizieren. Beispielsweise können die Verbinder 84, 85 abgedichtete oder vergossene Durchgangsverbinder sein, um elektrische Drähte hindurchzuführen, wie Heizerdrähte zur Verbindung mit einem oder mehreren Heizern 86, Zellenspannungsüberwachungs-(CVM)-Drähte zur Verbindung mit den einzelnen Zellen des Stapels 12 und dergleichen. Auch kann der CVM-Verbinder 85 ein optischer Verbinder sein, wobei die Ummantelung 32 aus einem klaren Material zusammengesetzt ist, wie Glas oder einem klaren Kunststoff.
Eine Ummantelungsvorrichtung für den Stapel 12 kann die Ummantelung 32 sowie alle oder einen Teil von feuchten und/oder trockenen Enden der Vorrichtung 11 aufweisen. Beispielsweise kann die Platte 80 des feuchten Endes und/oder die Isolatorplatte 92 ein Ende der Ummantelungsvorrichtung definieren, um Gebrauch von existierenden abgedichteten Durchdringungen zu machen, wie für Brennstoffzellensammelleitungen. Ähnlicherweise kann die Platte 81 des trockenen Endes und/oder die Isolatorplatte 90 ein anderes Ende der Ummantelungsvorrichtung definieren. Die Ummantelung 32 kann von dem seitlichen Umfang des Stapels 12 beabstandet sein, um eine elektrische Lichtbogenbildung zwischen der Ummantelung 32 und elektrisch leitenden Abschnitten des Stapels 12 zu vermeiden.
Der Stapel 12 kann von der Platte 81 des trockenen Endes getragen werden. Auch kann eine Mehrzahl von Federn 88 zwischen der Endplatte 81 und einer Schubplatte 89 angeordnet sein, und eine Isolatorplatte 90 kann zwischen der Schubplatte 89 und den Federn 88 angeordnet sein. Ferner kann einer der Heizer 86 sowie eine Buskomponente 91 zwischen der Isolatorplatte 90 und dem Stapel 12 angeordnet sein. Überdies kann eine Dichtung 91' zwischen einem Anschluss der Buskomponente 91 und der Platte 81 des trockenen Endes angeordnet sein.
Der Stapel 12 kann auch von der Platte 80 des feuchten Endes getragen werden. Auch können eine Isolatorplatte 92, einer der Heizer 86 sowie ein Stromkollektor 93 zwischen der Platte 80 des feuchten Endes und dem Stapel 12 angeordnet sein.
Zwischen dem Stapel 12 und den Isolatorplatten 90, 92 können eine oder mehrere Dichtungen 94 vorgesehen sein. Ähnlicherweise können zwischen der Isolatorplatte 92 und der Endplatte 80 eine oder mehrere Dichtungen 95 vorgesehen sein. Gleichermaßen können eine oder mehrere Dichtungen 96 zwischen der Isolatorplatte 92 und Verteilern oder Fluidanschlussstücken 97 vorgesehen sein, die daran angebracht sind und mit den Stapelsammelleitungen in Fluidkommunikation stehen. Die Dichtungen 94, 95, 96 können axiale Dichtungen und/oder beliebige andere geeignete Dichtungen sein.
11 zeigt eine andere Ausführungsform eines Abschnitts eines Brennstoffzellensystems. Diese Ausführungsform ist in vielerlei Hinsicht ähnlich zu der Ausführungsform der 2 und 10, und gleiche Bezugszeichen zwischen den Ausführungsformen bezeichnen allgemein gleiche oder entsprechende Elemente über die verschiedenen Ansichten der Zeichnungsfiguren hinweg. Zusätzlich sind die Beschreibungen der Ausführungsformen durch Bezugnahme ineinander eingeschlossen, und der bekannte Gegenstand braucht hier allgemein nicht wiederholt zu werden.
Eine Brennstoffzellenvorrichtung 1111 kann einen Brennstoffzellenstapel 1112 aufweisen und mit einer oder mehreren externen Seitenplatten 1198 versehen sein, die eine kontinuierliche Wand oder eine hülsenartige Komponente sein können, die den Stapel 1112 allgemein umgibt. Die Seitenplatte(n) 1198 kann/können allgemein durch Endplatten 1180, 1181 der Vorrichtung 1111 getragen werden. Genauer kann/können die Seitenplatte(n) 1198 an den Endplatten 1180 und 1181 auf eine beliebige geeignete Art und Weise angebracht sein, wie durch Schweißen, integrales Anbringen und/oder mit separaten Befestigungselementen 1182, wie Kopfschrauben, Bolzen, etc.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 1111 kann auch eine Ummantelungsvorrichtung mit einer Ummantelung 1132 aufweisen, die radial zwischen der bzw. den Seitenplatten 1198 und dem Stapel 1112 angeordnet ist. Die Isolatorplatten 1190, 1192 können mit axial wegführenden Abschnitten 1179, 1199 an radial äußeren Umfängen der Platten 1190, 1192 versehen sein, um abdichtend mit der Ummantelung 1132 gekoppelt zu werden und zumindest teilweise ein Innenvolumen oder eine Wasserstoffkammer 1136 derselben zu definieren. Auch kann bzw. können eine oder mehrere Dichtungen 1183, wie radiale Dichtungen oder eine oder mehrere beliebige andere geeignete Typen, zwischen der Ummantelung 1132 und den Isolatorplatten 1190, 1192 angeordnet sein, um zumindest teilweise die abgedichtete Wasserstoffkammer 1136 der Ummantelung 1132 zu definieren. Die Ummantelung 1132 kann eine oder mehrere abgedichtete Durchgangsverbinder 1185 tragen, um elektrische Drähte hindurchzuführen, wie Zellenspannungsüberwachungsdrähte zur Verbindung mit dem Stapel 1112.
Gemäß der Vorrichtung und den Abschalttechniken, die in einer oder mehreren der vorher dargestellten Ausführungsformen beschrieben worden sind, kann ein Brennstoffzellenstapel mit ausreichend H₂-Volumen und -Druck passiv abgeschaltet werden, um einen positiven Druck in dem Stapel solange aufrechtzuerhalten, bis der Stapel abgekühlt ist. Der Druck nimmt nach einer Abschaltung aufgrund einer Gaskontraktion, Kondensation, O₂-Diffusion in den Stapel und einem begleitenden Verbrauch durch H₂ und H₂-Diffusion von dem Stapel ab. Dennoch kann die Vorrichtung die Zeitdauer somit verlängern, bevor Luft in den Stapel eintreten kann.
Das vorliegend offenbarte Verfahren und die vorliegend offenbarte Vorrichtung können auch die Luft/Luft-Speichersituation während einer ausgedehnten Zeitdauer nach einer Abschaltung beseitigen, die eine signifikante Kohlenstoffkorrosion in Kathoden- und Anodenseiten auf Grundlage herkömmlicher kohlenstoffgeträgerter Membranelektrodenanordnungen bewirkt. Es ist gezeigt worden, dass die in der Anode oder Kathode gespeicherte Luft in einer durch Front geteilten Zelle resultiert, beispielsweise bei 25°C, bei der eine Kohlenstoffoxidation und O₂-Reduktion auftritt. Sogar obwohl die Kinetik bei 25°C gering ist, gehen 5 % der Gesamtmenge von herkömmlichem Kohlenstoff während 82.100 Stunden ohne Betrieb verloren, und zwar unter Annahme einer Lebensdauer des Brennstoffzellenfahrzeugs von 10 Jahren sowie 5.500 Stunden an Betriebszeit (d.h. 24 Stunden * 365 Tage * 10 Jahre - 5.500 Betriebsstunden = 82.100 Stunden). 5 % an Kohlenstoffgewichtsverlust können einen Verlust an Spitzenleistungs-Stromdichte von 20 - 30 mV bewirken. Jedoch kann mit der vorgeschlagenen Vorrichtung und den vorgeschlagenen Verfahren die Luft/Luft-Speichersituation beseitigt oder signifikant reduziert werden, da der Stapel 12 mit H_2/N₂ gefüllt wird, sobald er nicht mehr betrieben wird.
Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Brennstoffzellenstapel, der einen relativ hohen Dichtungsbereich um den Stapelumfang herum erfordert, umschließt die vorliegend offenbarte Vorrichtung abdichtend eine Mehrzahl von Brennstoffzellen eines Stapels mit einer separaten Ummantelung und einem relativ kleineren Dichtungsbereich. Der große Dichtungsbereich eines herkömmlichen Brennstoffstapels resultiert typischerweise in einer täglichen Leckrate, die das Gesamtporenvolumen des Stapels sogar unter Bedingungen des günstigsten Falles überschreitet. Mit anderen Worten verliert der herkömmliche Stapel sein gesamtes Gasvolumen innerhalb einer vierundzwanzigstündigen Zeitdauer. Im Gegensatz dazu leckt die hier beschriebene Vorrichtung nicht oder leckt bis zu einem signifikant geringen Grad. In jedem Fall kann die Vorrichtung dazu verwendet werden, die Zusammensetzung des einen Brennstoffzellenstapel umgebenden Gases zu definieren oder zu steuern und kann Lecks entlüften, und zwar beispielsweise durch den bzw. die Strömungspfade, die in Bezug auf die 7 - 9 beschrieben sind, bei denen die Wasserstoffströmung um das Volumen herum verläuft, um jegliche Lecks zu entlüften.

Claims

Brennstoffzellensystem (10), umfassend: einen Brennstoffzellenstapel (10); und eine Ummantelungsvorrichtung, die den Brennstoffzellenstapel (12) abdichtend umschließt, um eine Wasserstoffkammer (36) zwischen dem Brennstoffzellenstapel (12) und der Ummantelungsvorrichtung zu definieren; dadurch gekennzeichnet , dass das Brennstoffzellensystem ferner eine Wasserstoffversorgungsleitung (28) in Fluidkommunikation mit der Wasserstoffkammer (36) aufweist, wobei der Brennstoffzellenstapel (12) einen Anodeneinlass (38) aufweist, der mit der Wasserstoffkammer (12) in Fluidkommunikation steht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel (12) ein Innenvolumen innerhalb etwa 20 % des Volumens der Wasserstoffkammer (36) aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (11), die den Brennstoffzellenstapel (12), Endplatten (80, 81), die den Brennstoffzellenstapel (12) dazwischen schichtartig anordnen, sowie Isolatorplatten (92) zwischen den Endplatten (80, 81) und dem Brennstoffzellenstapel (12) aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei die Ummantelungsvorrichtung zumindest eine der Endplatten (80, 81) und eine separate Ummantelung (32) aufweist, die abdichtend mit den Endplatten (80, 81) gekoppelt ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei die Ummantelungsvorrichtung Dichtungen (83) zwischen den Isolatorplatten (92) und den Endplatten (80, 81) aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, ferner mit zumindest einer Buskomponente (91), und wobei die Ummantelungsvorrichtung zumindest eine Dichtung (91') aufweist, die zwischen der zumindest einen Buskomponente (91) und zumindest einer der Endplatten (80, 81) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei die Ummantelungsvorrichtung zumindest eine der Isolatorplatten (92) und eine mit den Isolatorplatten (92) abdichtend gekoppelte Ummantelung (32) aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei der Brennstoffzellenstapel (1112) Seitenplatten (1198) aufweist, die die Endplatten (1180, 1181) verbinden, wobei die Ummantelung /1132) zwischen den Seitenplatten (1198) und dem Brennstoffzellenstapel (1112) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei die Ummantelungsvorrichtung ferner radiale Dichtungen (1183) aufweist, die zwischen der Ummantelung und sich axial erstreckenden Flanschen der Isolatorplatten (1190, 1192) angeordnet sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Ummantelungsvorrichtung eine Ummantelung (32) aufweist, die Schaum (37) zwischen dem Brennstoffzellenstapel (12) und der Ummantelung (32) trägt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Ummantelungsvorrichtung eine Ummantelung (32) aufweist, die eine thermische Isolierung (33) trägt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Ummantelungsvorrichtung (32) eine Ummantelung aufweist, die einen Katalysator (35) zwischen dem Brennstoffzellenstapel (12) und der Ummantelung (32) trägt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einem in der Wasserstoffkammer (36) angeordneten (42).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, wobei der Sensor (42) einen O₂-Sensor aufweist, um Niveaus von O₂ zu überwachen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, wobei der Sensor (42) einen katalysatorbeschichteten Temperatursensor aufweist, der dazu verwendet wird, eine Luftleckage zu detektieren.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Befeuchterleitung (358) in Fluidkommunikation zwischen der Wasserstoffkammer (36) und dem Anodeneinlass (38) des Brennstoffzellenstapels (12).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 16, ferner mit einem Befeuchter (362) in Fluidkommunikation mit der Befeuchterleitung (358).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, ferner mit einem Befeuchterventil in Fluidkommunikation (360) mit der Befeuchterleitung oberstromig (358) des Befeuchters (362).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Rückführleitung in Fluidkommunikation (464) zwischen der Wasserstoffkammer (36) und dem Anodeneinlass (38) des Brennstoffzellenstapels (12).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 19, ferner mit einer Rückführpumpe (466) in Fluidkommunikation mit der Rückführleitung (464).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 20, wobei die Rückführpumpe (466) außerhalb der Ummantelungsvorrichtung angeordnet ist, so dass die Rückführleitung (464) durch einen Abschnitt der Ummantelungsvorrichtung verläuft.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 20, wobei die Rückführpumpe (466) innerhalb der Ummantelungsvorrichtung angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 20, ferner mit einer Ablassleitung (470) in Fluidkommunikation mit der Rückführleitung (464) oberstromig der Rückführpumpe (466).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Rückführleitung (564) in Fluidkommunikation mit der Wasserstoffkammer (36).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 24, ferner mit einer Rückführpumpe, (566) die außerhalb der Ummantelungsvorrichtung angeordnet ist und in Fluidkommunikation mit der Rückführleitung (564) steht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 25, ferner mit einer Ablassleitung (570) in Fluidkommunikation mit der Rückführleitung oberstromig der Rückführpumpe (566).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 26, ferner mit einer Ablaufleitung (672) in Fluidkommunikation mit der Wasserstoffkammer (36).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Verteilungsleitung (774), die in der Wasserstoffkammer (36) angeordnet ist und in Fluidkommunikation mit der Wasserstoffversorgungsleitung (28) steht.
Brennstoffzellensystemnach Anspruch 28, ferner mit einer Ablenkeinrichtung (778), die in der Wasserstoffkammer (36) oberstromig der Verteilungsleitung (774) und zwischen der Verteilungsleitung (774) und dem Anodeneinlass (38) des Brennstoffzellenstapels (12) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 29, wobei die Ablenkeinrichtung (776) aus einem Schaummaterial besteht, um so den Brennstoffzellenstapel (12) und einen Abschnitt der Ummantelungsvorrichtung abdichtend in Eingriff zu bringen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 29, wobei der Brennstoffzellenstapel (12) einen Anodenauslass (39) in direkter Fluidkommunikation mit dem Äußeren der Ummantelungsvorrichtung aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 29, ferner mit einer Rückführleitung (864), von der ein Ende in direkter Fluidkommunikation mit einem Anodenauslass (39) des Brennstoffzellenstapels (12) steht und ein anderes Ende in direkter Fluidkommunikation mit dem Anodeneinlass (38) des Brennstoffzellenstapels (12) steht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 32, ferner mit einer Rückführpumpe (866) in Fluidkommunikation mit der Rückführleitung (864).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 33, ferner mit einer Ablassleitung (870) in Fluidkommunikation mit der Rückführleitung (864) oberstromig der Rückführpumpe.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 23, ferner mit einer Ablenkeinrichtung (876), die in der Wasserstoffkammer (36) oberstromig des Anodenauslasses (39) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 35, ferner mit einer Rückführpumpe (866), die außerhalb der Ummantelungsvorrichtung (35) angeordnet ist und in Fluidkommunikation mit der Rückführleitung (870) steht, einer Ablassleitung (870) in Fluidkommunikation mit der Rückführleitung (870) oberstromig der Rückführpumpe (866) und einer Ablaufleitung (870) in Fluidkommunikation mit der Wasserstoffkammer.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel (12) einen Anodenauslass (39) aufweist, der dem Anodeneinlass (38) entgegengesetzt angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 37, wobei der Anodeneinlass (38) und der Anodenauslass (39) an entgegengesetzten Ecken des Brennstoffzellenstapels (12) angeordnet sind.