DE10219626B4

DE10219626B4 - Elektronische Steuerung zur Umleitung von Gas um den Befeuchter zu dem Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE10219626B4
Application number: DE10219626.5A
Authority: DE
Inventors: William S. Wheat; Bruce J. Clingerman; Matt K. Hortop
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2001-05-03
Filing date: 2002-05-02
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2022-05-03
Also published as: DE10219626A1; JP2002343389A; US6884534B2; US20020164509A1

Abstract

Feuchtigkeitssteuersystem (75) für einen Brennstoffzellenstapel (56) mit: einer Gasversorgung (60); einem Befeuchter (54) mit einem Einlass, der mit der Gasversorgung verbunden ist, und einem Auslass; einem Brennstoffzellenstapel (56) mit einem Einlass, der mit dem Auslass des Befeuchters (54) verbunden ist; einer Bypassleitung (80, 86), die ein Ende aufweist, das zwischen der Gasversorgung (60) und dem Befeuchter (54) verbunden ist, und ein entgegengesetztes Ende aufweist, das zwischen dem Auslass des Befeuchters (54) und dem Einlass des Brennstoffzellenstapels (56) verbunden ist; und einem Ventil (84), das in der Bypassleitung (80, 86) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Feuchtigkeitssensor (78) zur Erzeugung eines Feuchtigkeitssignals auf Grundlage der Feuchtigkeit von in den Brennstoffzellenstapel (56) eintretendem Gas vorgesehen ist; und dass eine Steuerung (90) mit dem Feuchtigkeitssensor (78) und dem Ventil (84) verbunden und eingerichtet ist, um das Ventil (84) auf Grundlage des Feuchtigkeitssignals zu steuern, wobei das Ventil (84) derart gesteuert wird, dass der Anteil des umgeleiteten Gases nur dann variiert wird, wenn die Feuchtigkeit, die durch den Feuchtigkeitssensor (78) erfasst wird, ein erstes vorbestimmtes Niveau überschreitet oder ein zweites vorbestimmtes Niveau unterschreitet.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein System und ein Verfahren zur Steuerung der relativen Feuchtigkeit in einem Brennstoffzellenstapel/-stack.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellensysteme werden zunehmend bei einer breiten Vielzahl von Anwendungen als Energiequelle verwendet. Brennstoffzellensysteme sind auch zum Gebrauch in Fahrzeugen als Ersatz von Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle umfasst eine Membran, die zwischen einer Anode und einer Kathode schichtartig angeordnet ist. Um Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zu erzeugen, wird Wasserstoff (H₂) an die Anode und Sauerstoff (O₂) an die Kathode geliefert. Bei einigen Systemen ist die Quelle des Wasserstoffes ein Reformat, und die Quelle des Sauerstoffes O₂ ist Luft.
Bei einer ersten Halbzellenreaktion erzeugt eine Dissoziation des Wasserstoffes (H₂) an der Anode Wasserstoffprotonen (H⁺) und Elektronen (e^–). Die Membran ist protonenleitend und dielektrisch. Folglich werden die Protonen durch die Membran transportiert, während die Elektronen durch eine elektrische Last fließen, die über die Membran geschaltet ist. Bei einer zweiten Halbzellenreaktion reagiert Sauerstoff (O₂) an der Kathode mit Protonen (H⁺), und Elektronen (e^–) werden aufgenommen, um Wasser (H₂O) zu bilden.
Um wirtschaftlich zu arbeiten und die maximale Menge an Elektrizität zu erzeugen, muss die Brennstoffzelle richtig befeuchtet werden. Um den richtigen Befeuchtungsbereich zu erreichen, werden der Wasserstoffstrom und der Sauerstoffstrom typischerweise durch eines von mehreren in der Technik bekannten Verfahren befeuchtet. Herkömmliche Befeuchtungssteuerverfahren sind allgemein nicht dazu in der Lage, die Feuchtigkeit der Wasserstoff- und der Sauerstoffströme zu der Brennstoffzelle ausreichend zu steuern. Die Lieferung von zu viel Feuchtigkeit an die Brennstoffzelle blockiert einen Zugang der reagierenden Gase zu dem Katalysator, wodurch die elektrochemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff behindert und die Erzeugung von Elektrizität verringert wird. Eine Lieferung von zu wenig Feuchtigkeit an die Brennstoffzelle beschränkt oder begrenzt den Protonentransport, der für die Reaktion in der Brennstoffzelle erforderlich ist, und kann auch die Brennstoffzelle physikalisch schädigen.
Bei einigen herkömmlichen Brennstoffzellensystemen wird der Sauerstoffstrom, der an die Brennstoffzelle geliefert wird, soweit wie möglich unter Berücksichtigung der Temperatur des Sauerstoffes und des befeuchtenden Wassers befeuchtet. Diese Brennstoffzellensysteme befassen sich mit trockenem Sauerstoff, der den Brennstoffzeellenstapel potentiell schädigen kann. Diese Brennstoffzellensysteme befassen sich aber nicht mit dem übermäßig feuchten Sauerstoffstrom, da dieser den Brennstoffzellenstapel nicht schädigt. Während ein Schaden verhindert wird, besitzen diese Brenstoffzellensysteme keine optimale Leistungsfähigkeit, da der übermäßig feuchte Sauerstoffstrom für die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit nicht optimal ist. Daher besteht Bedarf nach einem Brennstoffzellensystem, das sowohl einen trockenen Sauerstoffstrom zu der Brennstoffzelle als auch einen übermäßig feuchten Sauerstoffstrom zu der Brennstoffzelle verhindert.
Die JP H05-047 394 A offenbart ein Feuchtigkeitssteuersystem nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Feuchtigkeitssteuersystem bereitzustellen, um einen trockenen Sauerstoffstrom zu der Brennstoffzelle als auch einen übermäßig feuchten Sauerstoffstrom zu der Brennstoffzelle zu verhindern.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Ein Feuchtigkeitssteuersystem für eine Brennstoffzelle gemäß der Erfindung umfasst eine Gasversorgung und einen Befeuchter. Ein Einlass des Befeuchters ist mit der Gasversorgung verbunden. Eine Brennstoffzelle umfasst einen Einlass, der mit dem Auslass des Befeuchters verbunden ist. Eine Bypassleitung und ein Ventil lenken Gas um den Befeuchter herum, um die Feuchtigkeit des Gases, das in den Einlass der Brennstoffzelle eintritt, zu steuern.
Andere Merkmale der Erfindung umfassen, dass ein Feuchtigkeitssensor ein Feuchtigkeitssignal auf Grundlage der Feuchtigkeit des Gases erzeugt, das in die Brennstoffzelle eintritt, Eine mit dem Feuchtigkeitssensor und dem Ventil verbundene Steuerung steuert das Ventil auf Grundlage des Feuchtigkeitssignals.
Noch weitere Merkmale der Erfindung umfassen, dass der Einlass der Brennstoffzelle eine Kathodenströmungsleitung oder eine Anodenströmungsleitung der Brennstoffzelle ist. Das Ventil ist in der Bypassleitung zwischen der Gasversorgung und dem Befeuchter oder zwischen dem Befeuchter und der Brennstoffzelle angeordnet. Das Ventil ist bevorzugt ein Gasbegrenzerventil (gas restriction valve), ein Drosselventil, eine Drosselklappe oder ein Wegeventil (directional valve).
Noch weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden aus der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offensichtlich.
ZEICHNUNGSKURZBESCHREIBUNG
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 einen Querschnitt einer Membranelektrodenanordnung einer beispielhaften Brennstoffzelle zeigt;
2 ein schematisches Blockdiagramm ist, das ein Feuchtigkeitssteuersystem für einen Brennstoffzellenstapel nach dem Stand der Technik zeigt;
3 ein schematisches Blockdiagramm ist, das ein erstes Feuchtigkeitssteuersystem für einen Brennstoffzellenstapel zeigt, das eine Bypassleitung mit einem in der Bypassleitung angeordneten Ventil umfasst,
4A ein schematisches Blockdiagramm ist, das ein zweites Feuchtigkeitssteuersystem für einen Brennstoffzellenstapel zeigt, das ein zwischen der Gasversorgung und dem Befeuchter angeordnetes Ventil umfasst;
4B ein schematisches Blockdiagramm ist, das ein drittes Feuchtigkeitssteuersystem für einen Brennstoffzellenstapel zeigt, das ein zwischen dem Befeuchter und dem Feuchtigkeitssensor angeordnetes Ventil umfasst;
5A ein schematisches Blockdiagramm ist, das ein viertes Feuchtigkeitssteuersystem für einen Brennstoffzellenstapel zeigt, das ein zwischen der Gasversorgung und dem Befeuchter angeordnetes Ventil umfasst; und
5B ein schematisches Blockdiagramm ist, das ein fünftes Feuchtigkeitssteuersystem für einen Brennstoffzellenstapel zeigt, das ein zwischen dem Befeuchter und dem Feuchtigkeitssensor angeordnetes Ventil umfasst.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen bildet für Fachleute eine Anleitung zur Ausführung der bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Das Feuchtigkeitssteuersystem der vorliegenden Erfindung verwendet eine Bypassleitung und ein Ventil, um Gas um den Befeuchter herum umzulenken. Die Umlenkung von mehr Gas verringert die Feuchtigkeit des Gases. Die Umlenkung von weniger Gas erhöht die Feuchtigkeit des Gases. Das Feuchtigkeitssteuersystem kann die Feuchtigkeit einer einzelnen Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels einstellen. Das Gas ist Wasserstoff oder Reformat, das an eine Anodenströmungsleitung geliefert wird, oder Luft oder Sauerstoff, der an eine Kathodenströmungsleitung geliefert wird.
In 1 ist ein Querschnitt einer Brennstoffzellenanordnung 10 gezeigt, die eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 12 umfasst. Bevorzugt ist die Membranelektrodenanordnung eine Protonenaustauschmembran (PEM). Die MEA 12 umfasst eine Membran 14, eine Kathode 16 und eine Anode 18. Die Membran 14 ist zwischen einer inneren Fläche der Kathode 16 und einer inneren Fläche der Anode 18 schichtartig angeordnet.
Ein Kathodendiffusionsmedium 20 ist benachbart einer Außenfläche der Kathode 16 angeordnet. Ein Anodendiffusionsmedium 24 ist benachbart einer Außenfläche der Anode 18 angeordnet. Die Brennstoffzellenanordnung 10 umfasst ferner eine Kathodenströmungsleitung 26 und eine Anodenströmungsleitung 28. Die Kathodenströmungsleitung 26 empfängt und lenkt Sauerstoff (O₂) oder Luft von einer Quelle an das Kathodendiffusionsmedium 20. Die Anodenströmungsleitung 28 empfängt und lenkt Wasserstoff (H₂) oder Reformat von einer Quelle an das Anodendiffusionsmedium 24. Zur Vereinfachung bezieht sich die verbleibende Beschreibung auf Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂). Fachleuten ist es bekannt, dass auch Reformat und Luft verwendet werden können.
In der Brennstoffzellenanordnung 10 ist die Membran 14 eine für Kationen permeable, protonenleitfähige Membran mit H⁺-Ionen als dem mobilen Ion. Das Brennstoffgas ist Wasserstoff (H₂), und das Oxidationsmittel ist Sauerstoff (O₂). Die Gesamtzellenreaktion ist die Oxidation von Wasserstoff zu Wasser, und die jeweiligen Reaktionen an der Anode 18 und der Kathode 16 sind wie folgt: H₂ = 2H⁺ + 2e^– 0,5O₂ + 2H⁺ + 2e^– = H₂O
Da Wasserstoff als das Brennstoffgas verwendet wird, ist das Produkt der Gesamtzellenreaktion Wasser. Typischerweise wird das Wasser, das erzeugt wird, an der Kathode 16 abgegeben, die eine poröse Elektrode mit einer Elektrokatalysatorlage auf der Sauerstoffseite ist. Das Wasser kann gesammelt werden, wenn es gebildet wird, und von der MEA 12 der Brennstoffzellenanordnung 10 auf eine beliebige herkömmliche Art und Weise weggeführt werden. Die Zellenreaktion erzeugt einen Protonenaustausch in einer Richtung von dem Anodendiffusionsmedium 24 zu dem Kathodendiffusionsmedium 20. Auf diese Art und Weise erzeugt die Brennstoffzellenanordnung 10 Elektrizität. Eine elektrische Last 30 ist elektrisch über die MEA 12 mit einer Platte 32 und einer Platte 34 verbunden. Wenn die Platten 32 und 34 benachbart einer anderen Brennstoffzelle angeordnet sind, sind die Platten 32 und/oder 34 bipolar.
Wenn keine andere Brennstoffzelle benachbart angeordnet ist, sind die Platten 32 und/oder 34 Endplatten.
Um wirksam zu arbeiten und die maximale Menge an Elektrizität zu erzeugen, muss die Brennstoffzellenanordnung 10 richtig befeuchtet werden. Typischerweise werden der Sauerstoffstrom, der an die Kathodenströmungsleitung 26 geliefert wird, und/oder der Wasserstoffstrom, der an die Anodenströmungsleitung 28 geliefert wird, auf eine von mehreren verschiedenen, in der Technik bekannten Arten befeuchtet. Bei einer gängigen Methode werden die Anoden- und/oder Kathodengase zu einem Membranbefeuchter geführt, bevor sie zu der Brennstoffzelle geführt werden. Der Befeuchter kann entweder außerhalb der Brennstoffzelle angeordnet sein oder er kann einen Abschnitt in den Brennstoffzellenstapel umfassen. Bei einer anderen Methode kann die Brennstoffzelle auch über Verwendung von wassersaugenden Materialien (Dochtwirkung) befeuchtet werden, wie in dem U.S. Patent US 5,935,725 A und dem U.S. Patent US 5,952,119 A offenbart ist, die Wasser von einem Reservoir zu der MEA 12 führen. Alternativ dazu kann Dampf oder ein Nebel aus Wasser (H₂O) in sowohl den Kathodenstrom als auch den Anodenstrom zugeführt werden, um diese oberstromig oder innerhalb des Brennstoffzellenstapels zu befeuchten. Bei einer noch weiteren Methode kann ein Sauerstoffstrom in den Wasserstoffstrom oberstromig der Anodenströmungsleitung 28 zugeführt werden, um mit einer kleinen Menge an Wasserstoff zu reagieren und Wasser zu erzeugen, das den Wasserstoffstrom befeuchtet. Ähnlicherweise kann ein Wasserstoffstrom in den Sauerstoffstrom zugeführt werden, um Wasser zu erzeugen, das den Sauerstoffstrom befeuchtet.
In 2 ist das Feuchtigkeitssteuersystem 50 nach dem Stand der Technik gezeigt, das einen Befeuchter 54 umfasst, der Gas befeuchtet, das zu der Kathodenströmungsleitung 26 und/oder der Anodenströmungsleitung 28 des Brennstoffzellenstapels 56 strömt. Ein Gasauslass 58 des Brennstoffzellenstapels kann eine Strömungsleitung zu einem Brenner (nicht gezeigt) oder anderen Vorrichtungen sein. Der Befeuchter 54 erhöht die Feuchtigkeit des Gases, wie beispielsweise Luft, Sauerstoff, Wasserstoff oder Reformat, das durch eine Gasversorgung 60 geliefert wird. Gas wird typischerweise durch einen Kompressor (nicht gezeigt) an die Gasversorgung 60 geliefert. Während das Feuchtigkeitssteuersystem 50 verhindert, dass trockenes Gas den Einlass des Brennstoffzellenstapels 56 erreicht, neigt das Feuchtigkeitssteuersystem 50 dazu, einen übermäßig befeuchteten Gasstrom vorzusehen, der die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 56 verringert.
Es wird nun auf 3 Bezug genommen, bei der Bezugszeichen von 2 dort verwendet sind, wo es geeignet erschien, gleiche Elemente zu bezeichnen. Ein Feuchtigkeitssteuersystem 75 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ferner einen Feuchtigkeitssensor 78, der die relative Feuchtigkeit von den Befeuchter 54 verlassendem Gas misst. Bevorzugt ist der Feuchtigkeitssensor 78 ein X112428-GT, der von Honeywell vertrieben wird. Es können auch andere Typen von Feuchtsensoren verwendet werden. Der Feuchtigkeitssensor 78 könnte ein virtueller Sensor (Software, keine Hardware) sein. Wenn die Stapelleistungsfähigkeit dadurch gekennzeichnet werden kann, dass eine ankommende Gasfeuchtigkeit vorhergesagt werden kann, könnte die Feuchtigkeit berechnet anstatt direkt gemessen werden. Das Feuchtigkeitssteuersystem 75 kann dazu verwendet werden, die Feuchtigkeit von Luft oder Sauerstoff zu der Kathodenströmungsleitung 26 oder Wasserstoff oder Reformat zu der Anodenströmungsleitung 28 zu steuern. Der Gasbypass umfasst eine Bypassleitung 80 mit einem Ende, das mit einem Ventil 84 verbunden ist. Ein entgegengesetztes Ende der Bypassleitung 80 ist zwischen die Gasversorgung 60 und den Einlass des Befeuchters 54 geschaltet. Das Ventil 84 ist auch mit einem Ende einer Bypassleitung 86 verbunden. Ein entgegengesetztes Ende der Bypassleitung 86 ist zwischen den Auslass des Befeuchters 54 und den Feuchtigkeitssensor 78 geschaltet. Eine Feuchtigkeitssteuerung 90 ist mit dem Feuchtigkeitssensor 78 und dem Ventil 84 verbunden. Die Feuchtigkeitssteuerung 90 kann eine elektronische Schaltung, die die Stellung des Ventils 84 auf Grundlage des Feuchtigkeitssignals variiert, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine außerhalb des Gehäuses angeordnete Steuerung, auf der Software läuft, oder eine beliebige andere geeignete Steuerschaltung sein. Bevorzugt ist das Ventil 84 ein Gasbegrenzerventil. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Ventil 84 ähnlich einer herkömmlichen Drosselklappe (throttle valve) ausgebildet, die bei Verbrennungsmotoren verwendet wird.
Wenn die Feuchtigkeit, die durch den Feuchtigkeitssensor 78 erfasst wird, ein erstes vorbestimmtes Niveau überschreitet oder unter ein zweites vorbestimmtes Niveau abrollt, wird der Anteil des Gases, der umgeleitet wird, unter Verwendung des Gasbypasses/der Gasumleitung variiert. Durch Steuerung des Ventiles 84 kann die Menge an Gas, die umgeleitet wird, gesteuert werden. Das Verfahren zur Steuerung ist abhängig von der Größe der Leitungen, den Eigenschaften des Befeuchters 54 und den Eigenschaften des Ventils 84. Im Allgemeinen wird, je länger oder weiter das Ventil 84 offen ist, umso mehr Gas um den Befeuchter 54 herum umgeleitet und nicht befeuchtet. Durch Verwendung von seriengefertigten, hochentwickelten Gasbegrenzer- oder Drosselventilen bzw. Drosselklappen, wie sie beispielsweise in Verbrennungsmotoren verwendet werden, ist das Feuchtigkeitssteuersystem 75 weniger teuer und zuverlässiger. Zusätzlich ermöglicht eine Anordnung des Ventils 84 in dem Gasbypass einen ausfall-/betriebssicheren Betrieb. Mit anderen Worten strömt, wenn das Ventil 84 zu Schaden kommt, Gas durch den Befeuchter 54. Während ein trockener Gasstrom für den Brennstoffzellenstapel 56 gefährlich ist, verringert ein übermäßig befeuchteter Gasstrom zwar die Systemleistungsfähigkeit, ist aber für den Brennstoffzellenstapel 56 nicht schädlich.
Es wird nun auf 4A Bezug genommen, bei der Bezugszeichen von 3 dort verwendet sind, wo es geeignet erschien, gleiche Elemente zu bezeichnen. Es ist ein alternatives Feuchtigkeitssteuersystem 98 für den Brennstoffzellenstapel 56 gezeigt. Ein Ventil 100 ist zwischen der Gasversorgung 60 und dem Einlass des Befeuchters 54 positioniert. Bevorzugt ist das Ventil 100 ein Wegeventil. Ein Ende einer Bypassleitung 104 ist mit dem Ventil 100 verbunden. Ein entgegengesetztes Ende der Bypassleitung 104 ist zwischen den Befeuchter 54 und den Feuchtigkeitssensor 78 geschaltet. Die Steuerung 90 ist mit dem Feuchtigkeitssensor 78 und dem Ventil 100 verbunden. Das Betriebsprinzip des alternativen Feuchtigkeitssteuersystems 98 ist ähnlich zu dem, das oben in Verbindung mit 3 beschrieben ist. Jedoch lenkt anstelle einer Begrenzung der Gasströmung das Ventil 100 Luft zwischen zwei verschiedenen Wegen. Ein Weg verläuft durch den Befeuchter 54, den Feuchtigkeitssensor 78 und den Brennstoffzellenstapel 56. Ein anderer Weg verläuft um den Befeuchter 54 herum und durch den Feuchtigkeitssensor 78 und den Brennstoffzellenstapel 56. Durch Steuerung der Menge an Gas, das in den beiden Wegen strömt, wird die Feuchtigkeit des Gases gesteuert.
Es wird nun auf 4B Bezug genommen, bei der Bezugszeichen von 4A dort verwendet sind, wo es geeignet erschien, gleiche Elemente zu bezeichnen. Es ist ein alternatives Feuchtigkeitssteuersystem 110 für den Brennstoffzellenstapel 56 gezeigt. Das Ventil 100 ist zwischen dem Befeuchter 54 und dem Feuchtigkeitssensor 78 positioniert. Ein Ende einer Bypassleitung 114 ist mit dem Ventil 100 verbunden. Ein entgegengesetztes Ende der Bypassleitung 114 ist zwischen die Gasversorgung 60 und den Einlass des Befeuchters 54 geschaltet. Die Steuerung 90 ist mit dem Feuchtigkeitssensor 78 und dem Ventil 100 verbunden. Das Betriebsprinzip des alternativen Feuchtigkeitssteuersystems 110 ist ähnlich zu dem, das oben in Verbindung mit 4A beschrieben ist.
Es wird nun auf 5A Bezug genommen, bei der Bezugszeichen von 3 dort verwendet sind, wo es geeignet erschien, gleiche Elemente zu bezeichnen. Es ist ein alternatives Feuchtigkeitssteuersystem 120 für den Brennstoffzellenstapel 56 gezeigt. Das Ventil 84 ist zwischen der Gasversorgung 60 und dem Einlass des Befeuchters 54 positioniert. Ein Ende einer Bypassleitung 124 ist zwischen die Gasversorgung 60 und das Ventil 84 geschaltet. Ein entgegengesetztes Ende der Bypassleitung 124 ist zwischen den Auslass des Befeuchters 54 und den Feuchtigkeitssensor 78 geschaltet. Die Steuerung 90 ist mit dem Feuchtigkeitssensor 78 und dem Ventil 84 verbunden. Das Betriebsprinzip des alternativen Feuchtigkeitssteuersystems 120 ist ähnlich zu dem, das oben in Verbindung mit 3 beschrieben ist.
Es wird nun auf 5B Bezug genommen, bei der Bezugszeichen von 3 dort verwendet sind, wo es geeignet erschien, gleiche Elemente zu bezeichnen. Es ist ein alternatives Feuchtigkeitssteuersystem 130 für den Brennstoffzellenstapel 56 gezeigt. Das Ventil 84 ist zwischen dem Auslass des Befeuchters 54 und dem Feuchtigkeitssensor 78 positioniert. Ein Ende einer Bypassleitung 134 ist zwischen die Gasversorgung 60 und den Einlass des Befeuchters 54 geschaltet. Ein entgegengesetztes Ende der Bypassleitung 134 ist zwischen das Ventil 84 und den Feuchtigkeitssensor 78 geschaltet. Die Steuerung 90 ist mit dem Feuchtigkeitssensor 78 und dem Ventil 84 verbunden. Das Betriebsprinzip des alternativen Feuchtigkeitssteuersystems 130 ist ähnlich zu dem, das oben in Verbindung mit 3 beschrieben ist.
Die Verwendung der Bypassleitungen und Ventile gemäß der vorliegenden Erfindung, um die Feuchtigkeit von Gas, das an die Anoden- und Kathodenströmungsleitungen geliefert wird, zu variieren, sieht viele signifikante Vorteile vor. Eine Umleitung von Gas um den Befeuchter herum sieht eine aktive Steuerung über die relativen Feuchtigkeitsniveaus der Gase vor. Eine Steuerung der Befeuchtung verringert die Menge an Zusatzwasser, das überall in dem Brennstoffzellensystem erforderlich ist. Das Feuchtigkeitssteuersystem gemäß der Erfindung erlaubt einen kleineren Kühler zur Steuerung von Feuchtigkeitsniveaus. Mit anderen Worten, das Brennstoffzeellensystem muss wasserneutral sein. Durch übermäßiges Befeuchten der Gasströmung muss mehr Wasser unter Verwendung von Kondensatoren rückgewonnen werden. Um mehr Wasser zu kondensieren, absorbiert mehr Fahrzeugkühlmittel mehr Energie an den Kondensatoren. Das Fahrzeugkühlmittel muss daher auch mehr Energie an dem Kühler abgeben. Als Ergebnis ist ein größerer Kühler erforderlich.
Eine Umgehung des Befeuchters sieht auch eine niedrigere Änderung des Druckes (ρP) vor, als ansonsten erwartet würde. Niedrigere Strömungsraten durch den Befeuchter erlauben niedrigere Arbeitsdrücke. Durch den niedrigeren ρP wird eine Flexibilität bei der Konstruktion des Befeuchters zugelassen. Diese Flexibilität resultiert allgemein in kleineren und kostengünstigeren Befeuchtern.
Zusammengefasst umfasst ein Feuchtigkeitssteuersystem für einen Brennstoffzellenstapel eine Gasversorgung und einen Befeuchter, der einen Auslass und einen Einlass umfasst, der mit der Gasversorgung verbunden ist. Ein Brennstoffzellenstapel umfasst einen Einlass, der mit dem Auslass des Befeuchters verbunden ist. Eine Bypassleitung und ein Ventil führen Gas um den Befeuchter herum, um die Befeuchtung von Gas, das in den Brennstoffzellenstapel eintritt, zu steuern. Das Ventil ist in der Bypassleitung zwischen der Gasversorgung und dem Befeuchter oder zwischen dem Befeuchter und dem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Das Ventil ist ein Gasbegrenzerventil, ein Drosselventil, eine Drosselklappe oder ein Wegeventil. Ein Feuchtigkeitssensor erzeugt ein Feuchtigkeitssignal auf Grundlage der Feuchtigkeit von in den Brennstoffzellenstapel eintretendem Gas. Eine Steuerung, die mit dem Feuchtigkeitssensor und dem Ventil verbunden ist, steuert das Ventil auf Grundlage des Feuchtigkeitssignals. Der Einlass des Brennstoffzellenstapels ist eine Kathodenströmungsleitung oder eine Anodenströmungsleitung des Brennstoffzellenstapels.

Claims

Feuchtigkeitssteuersystem (75) für einen Brennstoffzellenstapel (56) mit: einer Gasversorgung (60); einem Befeuchter (54) mit einem Einlass, der mit der Gasversorgung verbunden ist, und einem Auslass; einem Brennstoffzellenstapel (56) mit einem Einlass, der mit dem Auslass des Befeuchters (54) verbunden ist; einer Bypassleitung (80, 86), die ein Ende aufweist, das zwischen der Gasversorgung (60) und dem Befeuchter (54) verbunden ist, und ein entgegengesetztes Ende aufweist, das zwischen dem Auslass des Befeuchters (54) und dem Einlass des Brennstoffzellenstapels (56) verbunden ist; und einem Ventil (84), das in der Bypassleitung (80, 86) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Feuchtigkeitssensor (78) zur Erzeugung eines Feuchtigkeitssignals auf Grundlage der Feuchtigkeit von in den Brennstoffzellenstapel (56) eintretendem Gas vorgesehen ist; und dass eine Steuerung (90) mit dem Feuchtigkeitssensor (78) und dem Ventil (84) verbunden und eingerichtet ist, um das Ventil (84) auf Grundlage des Feuchtigkeitssignals zu steuern, wobei das Ventil (84) derart gesteuert wird, dass der Anteil des umgeleiteten Gases nur dann variiert wird, wenn die Feuchtigkeit, die durch den Feuchtigkeitssensor (78) erfasst wird, ein erstes vorbestimmtes Niveau überschreitet oder ein zweites vorbestimmtes Niveau unterschreitet.
Feuchtigkeitssteuersystem (75) nach Anspruch 1, wobei das Ventil (84) ein Gasbegrenzerventil oder ein Drosselventil, insbesondere eine Drosselklappe ist.
Feuchtigkeitssteuersystem (75) nach Anspruch 1, wobei der Einlass des Brennstoffzellenstapels (56) eine Kathoden strömungsleitung oder eine Anodenströmungsleitung des Brennstoffzellenstapels (56) ist.
Feuchtigkeitssteuersystem (98) für einen Brennstoffzellenstapel (56), mit: einer Gasversorgung (60); einem Befeuchter (54) mit einem Einlass, der mit der Gasversorgung (60) verbunden ist, und einem Auslass; und einem Brennstoffzellenstapel (56) mit einem Einlass, der mit dem Auslass des Befeuchters (54) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil (100) zwischen der Gasversorgung (60) und dem Einlass des Befeuchters (54) angeordnet ist; dass eine Bypassleitung vorgesehen ist, die ein Ende aufweist, das mit dem Ventil (100) verbunden ist, und ein entgegengesetztes Ende aufweist, das zwischen dem Auslass des Befeuchters (54) und dem Einlass des Brennstoffzellenstapels (56) verbunden ist; dass ein Feuchtigkeitssensor (78) zur Erzeugung eines Feuchtigkeitssignals auf Grundlage der Feuchtigkeit von in den Brennstoffzellenstapel (56) eintretendem Gas vorgesehen ist; und dass eine Steuerung (90) mit dem Feuchtigkeitssensor (78) und dem Ventil (100) verbunden und eingerichtet ist, um das Ventil (100) auf Grundlage des Feuchtigkeitssignals zu steuern, wobei das Ventil (100) derart gesteuert wird, dass der Anteil des umgeleiteten Gases nur dann variiert wird, wenn die Feuchtigkeit, die durch den Feuchtigkeitssensor (78) erfasst wird, ein erstes vorbestimmtes Niveau überschreitet oder ein zweites vorbestimmtes Niveau unterschreitet.
Feuchtigkeitssteuersystem (98) nach Anspruch 4, wobei das Ventil (100) ein Wegeventil ist.
Feuchtigkeitssteuersystem (120) nach Anspruch 4, wobei der Einlass des Brennstoffzellenstapels (56) eine Kathodenströmungsleitung oder eine Anodenströmungsleitung des Brennstoffzellenstapels (56) ist.
Feuchtigkeitssteuersystem (110) für einen Brennstoffzellenstapel (56), mit: einer Gasversorgung (60); einem Befeuchter (54) mit einem Einlass, der mit der Gasversorgung (60) verbunden ist, und einem Auslass; einem Brennstoffzellenstapel (56) mit einem Einlass, der mit dem Auslass des Befeuchters (54) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil (100) zwischen dem Auslass des Befeuchters (54) und dem Einlass des Brennstoffzellenstapels (56) angeordnet ist; dass eine Bypassleitung (114) vorgesehen ist, die ein Ende aufweist, das mit dem Ventil (100) verbunden ist, und ein entgegengesetztes Ende aufweist, das zwischen der Gasversorgung (60) und dem Einlass des Befeuchters (54) verbunden ist; dass ein Feuchtigkeitssensor (78) zur Erzeugung eines Feuchtigkeitssignals auf Grundlage der Feuchtigkeit von in den Brennstoffzellenstapel (56) eintretendem Gas vorgesehen ist; und dass eine Steuerung (90) mit dem Feuchtigkeitssensor (78) und dem Ventil (100) verbunden und eingerichtet ist, um das Ventil (100) auf Grundlage des Feuchtigkeitssignals zu steuern, wobei das Ventil (100) derart gesteuert wird, dass der Anteil des umgeleiteten Gases nur dann variiert wird, wenn die Feuchtigkeit, die durch den Feuchtigkeitssensor (78) erfasst wird, ein erstes vorbestimmtes Niveau überschreitet oder ein zweites vorbestimmtes Niveau unterschreitet.
Feuchtigkeitssteuersystem (110) nach Anspruch 7, wobei das Ventil (100) ein Wegeventil ist.
Feuchtigkeitssteuersystem (110) nach Anspruch 7, wobei der Einlass des Brennstoffzellenstapels (56) eine Kathodenströmungsleitung oder eine Anodenströmungsleitung des Brennstoffzellenstapels ist.
Feuchtigkeitssteuersystem (120) für einen Brennstoffzellenstapel (56), mit: einer Gasversorgung (60); einem Befeuchter (54) mit einem Einlass, der mit der Gasversorgung (60) verbunden ist, und einem Auslass; einem Brennstoffzellenstapel (56) mit einem zweiten Einlass, der mit dem Auslass des Befeuchters (54) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil (84) zwischen der Gasversorgung (60) und dem Einlass des Befeuchters (54) angeordnet ist; dass eine Bypassleitung (124) vorgesehen ist, die ein Ende aufweist, das zwischen der Gasversorgung (60) und dem Ventil (84) verbunden ist, und ein entgegengesetztes Ende aufweist, das zwischen dem Auslass des Befeuchters (54) und dem Einlass des Brennstoffzellenstapels (56) verbunden ist; dass ein Feuchtigkeitssensor (78) zur Erzeugung eines Feuchtigkeitssignals auf Grundlage der Feuchtigkeit von in den Brennstoffzellenstapel (56) eintretendem Gas vorgesehen ist; und dass eine Steuerung (90) mit dem Feuchtigkeitssensor (78) und dem Ventil (84) verbunden und eingerichtet ist, um das Ventil (84) auf Grundlage des Feuchtigkeitssignals zu steuern, wobei das Ventil (84) derart gesteuert wird, dass der Anteil des umgeleiteten Gases nur dann variiert wird, wenn die Feuchtigkeit, die durch den Feuchtigkeitssensor (78) erfasst wird, ein erstes vorbestimmtes Niveau überschreitet oder ein zweites vorbestimmtes Niveau unterschreitet.
Feuchtigkeitssteuersystem (120) nach Anspruch 10, wobei das Ventil (84) ein Begrenzerventil oder ein Drosselventil, insbesondere eine Drosselklappe ist.
Feuchtigkeitssteuersystem (120) nach Anspruch 10, wobei der Einlass des Brennstoffzellenstapels (56) eine Kathodenströmungsleitung oder eine Anodenströmungsleitung des Brennstoffzellenstapels (56) ist.
Feuchtigkeitssteuersystem (130) für einen Brennstoffzellenstapel (56), mit: einer Gasversorgung (60); einem Befeuchter (54) mit einem Einlass, der mit der Gasversorgung (60) verbunden ist, und einem Auslass; einem Brennstoffzellenstapel (56) mit einem Einlass, der mit dem Auslass des Befeuchters (54) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil (84) zwischen dem Auslass des Befeuchters (54) und dem Einlass des Brennstoffzellenstapels (56) angeordnet ist; dass eine Bypassleitung (134) vorgesehen ist, die ein Ende aufweist, das zwischen dem Ventil (84) und dem Einlass des Brennstoffzellenstapels (56) verbunden ist, und ein entgegengesetztes Ende aufweist, das zwischen der Gasversorgung (60) und dem Einlass des Befeuchters (54) verbunden ist; dass ein Feuchtigkeitssensor (78) zur Erzeugung eines Feuchtigkeitssignals auf Grundlage der Feuchtigkeit von in den Brennstoffzellenstapel (56) eintretendem Gas vorgesehen ist; und dass eine Steuerung (90) mit dem Feuchtigkeitssensor (78) und dem Ventil (84) verbunden und eingerichtet ist, um das Ventil (84) auf Grundlage des Feuchtigkeitssignals zu steuern, wobei das Ventil (84) derart gesteuert wird, dass der Anteil des umgeleiteten Gases nur dann variiert wird, wenn die Feuchtigkeit, die durch den Feuchtigkeitssensor (78) erfasst wird, ein erstes vorbestimmtes Niveau überschreitet oder ein zweites vorbestimmtes Niveau unterschreitet.
Feuchtigkeitssteuersystem (130) nach Anspruch 13, wobei das Ventil (84) ein Gasbegrenzerventil oder ein Drosselventil, insbesondere eine Drosselklappe ist.
Feuchtigkeitssteuersystem (130) nach Anspruch 13, wobei der Einlass des Brennstoffzellenstapels (56) eine Kathodenströmungsleitung oder eine Anodenströmungsleitung des Brennstoffzellenstapels (56) ist.