DE10249384A1

DE10249384A1 - Wasserstoffgespülter Motor für ein Gebläse zur Anodenrezirkulation

Info

Publication number: DE10249384A1
Application number: DE10249384A
Authority: DE
Inventors: James S Siepierski; Ulrich Dumke
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2001-10-24
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2003-05-22
Anticipated expiration: 2022-10-24
Also published as: JP3708513B2; US20030077499A1; US6830842B2; DE10249384B4; JP2003132917A

Abstract

Es ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das dazu verwendet werden kann, ein Fahrzeug anzutreiben. Das System umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der Wasserstoff und ein Oxidationsmittel verwendet, um Elektrizität zu erzeugen, und einen Rezirkulationskreis, der nicht reagiertem Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel zurückführt. Das System umfasst eine hermetisch abgedichtete Anordnung mit einem Gebläseabschnitt, der Wasserstoff in dem Rezirkulationskreis unter Druck setzt, und einem Motorabschnitt, der das Gebläse antreibt. Das System umfasst auch eine Quelle für Zusatzwasserstoff zum Wiederauffüllen von Wasserstoff in dem Rezirkulationskreis. Die Quelle führt Zusatzwasserstoff in den Motorabschnitt der Anordnung bei einem Druck ein, der größer als der Druck in dem Gebläseabschnitt der Anordnung ist. Folglich strömt Zusatzwasserstoff von dem Motorabschnitt der Anordnung in die Gebläseabschnittanordnung, in der sich dieser mit Komponenten in dem Rezirkulationskreis mischt. Es ist auch ein Verfahren zum Wiederauffüllen von Wasserstoff in dem Brennstoffzellenstapel offenbart.

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein Brennstoffzellensysteme und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Rückführen von Wasserstoff-Brennstoffgas an einen Brennstoffzellenstapel.

Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung, die chemische Energie direkt in elektrische Energie und Wärme umwandelt. In ihrer vielleicht einfachsten Form umfasst eine Brennstoffzelle zwei Elektroden - eine Anode und eine Kathode - die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Während des Gebrauchs wird die Anode mit Brennstoff versorgt, und die Kathode wird mit einem Oxidationsmittel beliefert, das gewöhnlich Sauerstoff in Umgebungsluft ist. Unter Zuhilfenahme eines Katalysators wird der Brennstoff an der Anode einer Oxidation unterzogen, wodurch Protonen und Elektronen erzeugt werden. Die Protonen diffundieren durch den Elektrolyten zu der Kathode, wo sie sich in Anwesenheit eines zweiten Katalysators mit Sauerstoff und Elektronen kombinieren, um Wasser und Wärme zu erzeugen. Da der Elektrolyt als eine Barriere für den Elektronenfluss wirkt, wandern die Elektroden von der Anode zu der Kathode über eine externe Schaltung, die eine elektrische Last umfasst, welche durch die Brennstoffzelle erzeugte Energie verbraucht. Eine Brennstoffzelle erzeugt ein elektrisches Potential von etwa 1 Volt oder weniger, so dass einzelne Brennstoffzellen in Reihe "gestapelt" ("stacked") werden, um eine erforderliche Spannung zu erzielen.

Aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades, ihres Potentials bezüglich Brennstoffflexibilität und ihrer Fähigkeit, Elektrizität mit Null oder mit nahezu Null Emission von Schmutzstoffen zu erzeugen, sind Brennstoffzellen als Ersatz für Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen vorgeschlagen worden. Unter den Brennstoffen, die für Fahrzeuganwendungen in Betracht gezogen wurden, erscheint Wasserstoff (H₂) der am meisten attraktivste. Wasserstoff besitzt eine ausgezeichnete elektrochemische Reaktivität, sieht ausreichende Leistungsdichteniveaus in einem luftoxidierten System vor und erzeugt bei Oxidation nur Wasser.

Fig. 1 zeigt schematisch ein auf Wasserstoff basierendes Brennstoffzellensystem 10. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12, der aus einzelnen Brennstoffzellen 14 besteht und Kathoden- und Anodenanschlüsse 16, 18 umfasst, die elektrisch über eine externe Schaltung 20 geschaltet sind. Die externe Schaltung 20 umfasst eine Last 22 (beispielsweise einen elektrischen Motor), die Energie verbraucht, die durch den Brennstoffzellenstapel 12 erzeugt wird. Luft (Sauerstoff) und unter Druck gesetzter Wasserstoff treten in den Brennstoffzellenstapel 12 durch Kathoden- und Anodengaseinlässe 24 bzw. 26 ein. Der Brennstoffzellenstapel 12 umfasst interne Durchflusswege 28, 30, die Luft und Wasserstoff zu der Kathode und Anode jeder Brennstoffzelle 14 verteilen. Mit Sauerstoff abgereicherte Luft verlässt den Brennstoffzellenstapel 12 durch einen Kathodengasauslass 32. Wasser, Stickstoff und nicht reagierter Wasserstoff verlassen den Brennstoffzellenstapel 12 durch einen Anodengasauslass 34.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, trägt eine erste Rohrleitung 36 die Anodengase (H₂, N₂ und H₂O) von dem Brennstoffzellenstapel 12 weg. Ein Anteil des Anodengasstroms kann in eine Austragsleitung 38 durch ein Abzugsventil 40 entlüftet werden, wobei eine Rückführleitung 42 den Rest an Anodengasstrom zu dem Brennstoffzellenstapel 12 zurück führt. Neben Druckverlusten von einer Anodengasentlüftung resultieren Reibungsverluste in dem Anodengas-Durchflussweg 30 typischerweise in einem Druckverlust von etwa dreißig kPa über den Brennstoffzellenstapel 12. Um diese Druckverluste zu vermeiden, verwendet das Brennstoffzellensystem 10 ein über Motor 44 angetriebenes Gebläse 46, um den Druck des Anodengases innerhalb der Rückführleitung 42 zu verstärken. Zur Verdeutlichung sind der Motor 44 und das Gebläse 46 ohne ein Gehäuse gezeigt, um zu zeigen, dass eine starre Welle 48 ein Drehmoment zwischen dem Motor 44 und dem Gebläse 46 überträgt. Ferner reduziert, wie durch einen Pfeil 50 gezeigt ist, eine dynamische Dichtung 52 den Durchfluss des Anodengases von dem Gebläse 46 zu dem Motor 44, verhindert diese aber nicht.

Unter Druck gesetztes Anodenrezirkulationsgas verlässt das Gebläse 46 durch einen Auslass 54 und strömt in eine Austragsleitung 56, die den Anodengasrückführstrom in den Anodengaseinlass 26 des Brennstoffzellenstapels 12 lenkt. Eine zweite Rohrleitung 58, die mit einem Wasserstoffgasreservoir 60 oder einer anderen Quelle für Wasserstoff in Verbindung steht, führt Zusatzwasserstoff in die Gebläseaustragsleitung 56 ein. Ein Steuerventil 52 und ein Durchflussmengenmesser 64, die mit einer Durchflusssteuerung (nicht gezeigt) in Verbindung stehen, regulieren die Menge an Wasserstoff, die dem Anodengasrezirkulationsstrom hinzugefügt werden soll. Während des Betriebs beseitigt ein Wärmetauscher 66 überschüssige Wärme, die durch den Gebläsemotor 44 erzeugt wird. Der Wärmetauscher 66 umfasst typischerweise einen Fluidkühlmittelkreis 68, der das Fluidkühlmittel durch das Gehäuse des Motors 44 zirkuliert.

Obwohl das Brennstoffzellensystem 10, das in Fig. 1 gezeigt ist, ein verwendbares Schema darstellt, weisen existierende über Motor 44 angetriebene Gebläse 46 für Brennstoffzellenanwendungen verschiedene Schwierigkeiten auf. Da Wasserstoff ein kleines Molekül ist, kann die dynamische Dichtung 52 nicht dazu in der Lage sein, vollständig zu verhindern, dass H₂ in den Luftraum des Gebläsemotors 44 leckt. Zusätzlich kann Wasser in dem Anodengasrezirkulationsstrom in das Gehäuse des Motors 44 lecken, was das Motorschmiermittel verschmutzen und eine Korrosion von Motorteilen unterstützen kann. Schließlich muss, da der Motor 44 eine große Menge an Wärme erzeugt, ein relativ großer Wärmetauscher 66 verwendet werden, der zu der Größe und den Kosten des Brennstoffzellensystems 10 beiträgt.

Die vorliegende Erfindung löst eines oder mehrere der oben beschriebenen Probleme oder unterstützt zumindest eine Minderung derselben.

Die vorliegende Erfindung sieht ein Brennstoffzellensystem vor, das dazu verwendet werden kann, ein Fahrzeug anzutreiben. Das System umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der Wasserstoff und ein Oxidationsmittel (typischerweise Sauerstoff in Umgebungsluft) verwendet, um Elektrizität zu erzeugen. Das System umfasst einen Rezirkulationskreis zur Rückführung von nicht reagiertem Wasserstoff zusammen mit Wasser und Stickstoff zu dem Brennstoffzellenstapel und eine hermetisch abgedichtete Anordnung, die einen Gebläseabschnitt, um Wasserstoff in dem Rezirkulationskreis unter Druck zu setzen, und einen Motorabschnitt umfasst, um das Gebläse anzutreiben.

Das System umfasst auch eine Quelle für Zusatzwasserstoff zum Wiederauffüllen von Wasserstoff in dem Rezirkulationskreis. Die Quelle führt Zusatzwasserstoff in den Motorabschnitt der Anordnung bei einem Druck ein, der größer als der Druck in dem Gebläseabschnitt der Anordnung ist. Folglich strömt zumindest ein Teil des Zusatzwasserstoffs von dem Motorabschnitt der Anordnung in die Gebläseabschnittsanordnung, was verhindern hilft, dass Komponenten in dem Rezirkulationskreis in den Motorabschnitt der Anordnung eintreten können. Zusatzwasserstoff spült den Motor von unerwünschten Verbindungen (beispielsweise Wasser und Sauerstoff) und entfernt Wärme, die durch den Motor und die Steuerung (wenn vorhanden) erzeugt wird. Dadurch, dass Zusatzwasserstoff durch den Gebläseabschnitt der Anordnung geführt wird, wird der Zusatzwasserstoff vorerwärmt, wodurch in einigen Fällen der Bedarf nach einem separaten Wärmetauscher vermieden wird.

Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Vorrichtung zur Wiederauffüllung von Wasserstoff in einem Brennstoffzellenstapel vor. Die Vorrichtung umfasst einen Rezirkulationskreis zum Rückführen von nicht reagiertem Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel und eine hermetisch abgedichtete Anordnung, die einen Gebläseabschnitt und einen Motorabschnitt umfasst. Der Gebläseabschnitt der Anordnung, der mit dem Rezirkulationskreis in Verbindung steht, setzt Wasserstoff in dem Rezirkulationskreis unter Druck, und der Motorabschnitt der Anordnung treibt das Gebläse an. Die Vorrichtung umfasst eine Quelle für Zusatzwasserstoff, die derart ausgebildet ist, um Wasserstoff in den Motorabschnitt der Anordnung mit einem Druck einzuführen, der größer als der Druck in dem Gebläseabschnitt der Anordnung ist.

Schließlich sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Wiederauffüllen von Wasserstoff in einem Brennstoffzellenstapel vor. Das Verfahren umfasst, dass nicht reagierter Wasserstoff von einem Auslass zu einem Einlass des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung eines motorbetriebenen Gebläses rezirkuliert wird. Der Motor, der hermetisch mit dem Gebläse gekoppelt ist, besitzt einen Durchflussweg, der eine Fluidverbindung zwischen dem Motor und dem Gebläse vorsieht. Das Verfahren umfasst somit, dass Zusatzwasserstoff in den Motor mit einem Druck eingeführt wird, der höher als der Druck in dem Gebläse ist. Zusatzwasserstoff strömt in den Motor und durch den Durchflussweg in das Gebläse, wo er sich mit nicht reagiertem Wasserstoff mischt.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 ein auf Wasserstoff basierendes Brennstoffzellensystem zeigt;
Fig. 2 ein Brennstoffzellensystem zeigt, das eine hermetisch abgedichtete Anordnung aus mit Wasserstoff gespültem Motor und Gebläse zur Anodengasrezirkulation verwendet; und
Fig. 3 eine teilweise Schnittansicht der hermetisch abgedichteten Anordnung aus mit Wasserstoff gespültem Motor und Gebläse von Fig. 2 zeigt.
Fig. 2 zeigt ein Brennstoffzellensystem 110, das eine hermetisch abgedichtete Anordnung 112 aus Motor und Gebläse umfasst. Das Brennstoffzellensystem 110 ist ähnlich dem in Fig. 1 gezeigten System 10 und umfasst viele der selben Elemente. Beispielsweise umfasst das Brennstoffzellensystem 110 einen Brennstoffzellenstapel 12, der aus einzelnen Brennstoffzellen 14 besteht und der Kathoden- und Anodenanschlüsse 16 und 18 umfasst, die elektrisch über eine externe Schaltung 20 verbunden sind. Die externe Schaltung 20 umfasst eine Last 22 (beispielsweise einen Elektromotor), die die durch den Brennstoffzellenstapel 12 erzeugte Energie verbraucht.
Befeuchtete Luft (Sauerstoff, Stickstoff, deionisiertes Wasser) und unter Druck gesetzter Wasserstoff treten in den Brennstoffzellenstapel 12 durch die Kathoden- und Anodengaseinlässe 24 bzw. 26 ein. Der Brennstoffzellenstapel 12 umfasst interne Durchflusswege 28, 30, die Luft und Wasserstoff zu der Kathode und Anode jeder Brennstoffzelle 14 verteilen. Mit Sauerstoff abgereicherte Luft verlässt den Brennstoffzellenstapel 12 durch einen Kathodengasauslass 32, und Wasser, Stickstoff und nicht reagierter Wasserstoff verlassen den Brennstoffzellenstapel 12 durch einen Anodengasauslass 34. Eine erste Rohrleitung 36 trägt die Anodengase (H₂, N₂ und H₂O) von dem Brennstoffzellenstapel 12 weg. Ein Anteil des Anodengasstromes kann in eine Austragsleitung 38 durch ein Abzugsventil 40 entlüftet werden, wobei eine Rückführleitung 42 den Rest an Anodengasstrom zu dem Brennstoffzellenstapel 12 zurück führt.
Um den erforderlichen Gasdruck an dem Anodengaseinlass 26 zu erreichen, verwendet das Brennstoffzellensystem 110 eine hermetisch abgedichtete Anordnung 112 aus Motor und Gebläse. Die Motor- und Gebläseanordnung 112 umfasst einen Abschnitt 114 mit mit Wasserstoff gespültem Motor, der mit einem Gebläse 116 oder Kompressor gekoppelt ist, das den Druck des Anodengases in der Rückführleitung 42 verstärkt. Obwohl Kompressoren und Gebläse allgemein Gashandhabungsvorrichtungen mit minimalen bzw. maximalen Kompressionsverhältnissen von etwa 1.1 betreffen, verwendet die vorliegende Anmeldung die beiden Begriffe gegenseitig austauschbar. Eine zweite Rohrleitung 58, die mit einem Wasserstoffgasreservoir 60 oder einer anderen Quelle für Wasserstoff in Verbindung steht, führt frischen Wasserstoff (beispielsweise mit einer Reinheit von 99,9%) in den Motorabschnitt 114 der Anordnung 112 ein. Der Wasserstoffgasdruck innerhalb des Motorabschnittes 114 der Anordnung 112 ist größer als der Druck des Anodenrezirkulationsgases, das durch das Gebläse 116 strömt. Folglich strömt Zusatzwasserstoff von dem Motorabschnitt 114 in den Gebläseabschnitt 116 der Anordnung 112, was den Durchfluss von Anodengas von der Rückführleitung 42 in den Motor 114 verhindert.
Unter Druck gesetztes Anodenrezirkulationsgas, das Zusatzwasserstoff von dem Wasserstoffreservoir 60 umfasst, verlässt das Gebläse 116 durch einen Auslass 54 und einen externen Diffusor 55 und strömt in eine Austragsleitung 56. Die Austragsleitung 56 lenkt den Anodengasstrom in den Anodengaseinlass 26 des Brennstoffzellenstapels 12, wodurch ein Anodengasrezirkulationskreis 118 komplettiert: wird. Ein Steuerventil 62 und ein Durchflussmengenmesser 64, die mit einer Durchflusssteuerung (nicht gezeigt) in Verbindung stehen, regulieren die Menge an Wasserstoff, die zu dem Anodengasrückführstrom durch den Motorabschnitt 114 der Motor- und Gebläseanordnung 112 hinzugefügt wird.
Neben einer Minimierung einer Leckage von Anodengas in den Motorabschnitt 114 sieht die hermetisch abgedichtete Motor- und Gebläseanordnung 112 zusätzliche Vorteile vor. Beispielsweise läuft, da die Abschnitte des Motors 114 und des Gebläses 116 in einem gasdichten Behälter oder Gehäuse eingeschlossen sind, die Anordnung 112 leiser als der Motor 44 und das Gebläse 46, die in Fig. 1 gezeigt sind. Zusätzlich zum Spülen des Motorgehäuses von unerwünschten Fluiden zieht der Zusatzwasserstoffstrom Wärme ab, die durch den Motor erzeugt wird, wodurch in einigen Fällen der Bedarf nach einem Wärmetauscher 66, der in Fig. 1 gezeigt ist, vermieden wird. Da Zusatzwasserstoff in den Anodengasrezirkulationsstrom durch den Motorabschnitt 114 der Anordnung 112 eintritt, erfordert der Motor eine vergleichsweise geringe Ventilation, was in einem höheren Motorwirkungsgrad resultiert.
Wenn das System 110 eine zusätzliche Erwärmung oder Kühlung erfordert, um die Temperatur des Anodenrezirkulationsgases, das in den Brennstoffzellenstapel 12 eintritt, zu steuern, kann es einen relativ kleinen Wärmetauscher 120 verwenden, der unterstromig des Gebläseauslasses 54 angeordnet ist. Der optionale Wärmetauscher 120, der in Fig. 2 gezeigt ist, umfasst einen Wärmeübertragungskreis 122. Abhängig von der Temperatur des Fluides, das in dem Kreis 122 strömt, erhitzt oder kühlt der Wärmetauscher 120 das Anodenrezirkulationsgas in der Gebläseaustragsleitung 56.
Fig. 3 zeigt eine teilweise Schnittansicht einer Ausführungsform der hermetisch abgedichteten Anordnung 112 aus Motor und Gebläse. Die Ausführungsform umfasst einen Abschnitt 114 mit wasserstoffgespültem Motor, einen Gebläseabschnitt 116 zur Anodengasrezirkulation und einen Motorsteuerabschnitt 140, die alle in einem gasdichten Gehäuse 142 enthalten sind. Die Motor- und Gebläseanordnung 112 umfasst eine Halterung 144, die an dem Gehäuse 142 befestigt ist, um die Anordnung 112 an einem Kraftfahrzeug zu befestigen. Für einen typischen mit Brennstoffzelle betriebenen Motor sollte das Motor- und Gebläsegehäuse 142 einen maximal zulässigen Arbeitsdruck von zumindest etwa 85 psig (Überdruck von 5,86 bar) besitzen, wenn es gemäß ASME Boiler and Pressure Wessel Codes, Abschnitt VIII, Unterabteilung 1 und 2 (1998) überprüft wird.
Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung 112 verwendet ein Gebläse 116 vom Zentrifugaltyp mit teilweiser Abgabe. Sofern es sich nicht um Verdränger- Gasbewegungsausrüstung (beispielsweise Rotationspumpen) handelt, besitzen Zentrifugalgebläse wesentliche Zwischenräume zwischen sich bewegenden Teilen und sehen daher eine bessere Lebensdauer und Zuverlässigkeit vor, wenn sie korrosiven Fluiden ausgesetzt sind, wie beispielsweise dem Anodengas. Der Gebläseabschnitt 116 der Anordnung 112 umfasst ein Flügelrad 146, das an einer starren Welle 148 befestigt ist und eine Rotationsachse 150 aufweist, die durch eine gestrichelte Linie in Fig. 3 gezeigt ist. Die Welle 148 läuft entlang der Länge des Motorsabschnitts 114 und erstreckt sich in den Gebläseabschnitt 116 der Anordnung 112 durch eine Öffnung 152 in einer Grundplatte 154 des Flügelrades, die die Abschnitte des Motors 114 und des Gebläses 116 trennt. Das Gebläse 116 umfasst einen optionalen Pumpeneinlasskranz 156 oder eine Vorverwirbelungseinrichtung (pre-swirler), die unmittelbar oberstromig des Flügelrades 146 angeordnet ist.
Das Flügelrad 146 umfasst Flügel 158 oder Schaufeln, die von der Flügelradfläche 160 nach außen vorragen. Das Gebläse 116 vom Teilabgabetyp, das in Fig. 3 gezeigt ist, verwendet gerade radiale Flügel 158 an einem offenen Flügelrad 146 und einen externen Diffusor 55, der zu einem gegebenen Zeitpunkt nur einen Bruchteil des durch die Flügel 158 umschlossenen Gases das Gebläse 116 verlassen lässt. Im Gegensatz dazu besitzen Gebläse mit Vollabgabe gekrümmte Flügel und einen Strömungsringdiffusor. Der Strömungsringdiffusor kanalisiert Gas gleichzeitig von allen Flügelradflügeln zu dem Gebläseauslass 54. Obwohl das Brennstoffzellensystem 110 ein Gebläse vom Vollabgabetyp verwenden kann, können Gebläse vom Teilabgabetyp gewöhnlich leichter die relativ hohen Druck- und niedrigen Durchflussratenanforderungen des Brennstoffzellensystems 110 erfüllen.
Der Motorabschnitt 114 der Anordnung 112 umfasst einen AC-Motor 164 für variable Frequenz. Derartige Motoren besitzen keine Bürsten, was eine Funkenbildung und elektromagnetische Interferenz minimiert, und sehen typischerweise einen geringeren Wartungsbedarf, eine höhere Lebensdauer und einen leiseren Betrieb vor, als Motoren, die Bürsten verwenden.
Zusätzlich zu der starren Welle 148 besitzt der Motor 164, der in Fig. 3 gezeigt ist, einen Stator 166, einen Rotor 168 und ein Paar Lager 170, 172. Der Stator 166 umfasst einen allgemein zylindrischen Rahmen mit Wicklungen, die in Schlitzen um seinen inneren Umfang 174 angeordnet sind. Obwohl bei einigen Ausführungsformen der Rotor 168 isolierte Wicklungen umfassen kann, verwendet der Motor 164, der in Fig. 3 gezeigt ist, Permanentmagnete, die den Bedarf nach Schleifringen und einer externen Quelle für einen DC-Feld-Strom vermeiden. Die Permanentmagnete, die aus Neodym-Bor-Eisen, Samarium-Kobalt-Ferrit und dergleichen bestehen können, besitzen polare Achsen, die sich radial auswärts von der Rotationsachse des Rotors 168 erstrecken, die mit der Rotationsachse 150 der starren Welle 148 übereinstimmt. Die Lager 170, 172 lagern die Rotationswelle 148 und sollten normalerweise Drehzahlen des Motors 164 und des Flügelrades 146 bis zu zumindest etwa 40.000 Umdrehungen pro Minute zulassen. Verwendbare Lager 170, 172 können Keramikkugellager umfassen.
Der Motorsteuerabschnitt 140 der Motor- und Gebläseanordnung 112 umfasst typischerweise einen Antrieb für variable Frequenz (VFD) 176. Der VFD 176 umfasst einen Wechselrichter (inverter) 178 und eine Steuerschaltung 180 (beispielsweise einen Mikroprozessor), der an einer Wärmesenke/einem Kühlkörper 182 befestigt ist. Der Wechselrichter 178, der in Fig. 3 gezeigt ist, umfasst drei Paare von Halbleitern 184, die beispielsweise Bipolartransistoren mit isoliertem Gate, Metalloxid-Halbleiter- Feldeffekttransistoren, bipolare Transistoren, Thyristoren und dergleichen sein können. Unter der Leitung der Steuerschaltung 180 erhält der Wechselrichter 178 eine konstante DC-Spannung (beispielsweise 300 VDC) von einer externen Energiequelle (d. h. dem Brennstoffzellenstapel 12) und wandelt diese in eine Versorgung für variablen AC um, der den Motor 164 mit verschiedenen Drehzahlen antreiben kann. Da die Eingangsspannung konstant ist, stellt der Wechselrichter 178 sowohl die Amplitude als auch die Frequenz (1) des Stromes ein, der zu den Wicklungen des Stators 166 des Motors 164 geliefert wird. Der Strom des Stators 166 stellt ein Magnetfeld in einem Spalt 186 oder einem ringförmigen Bereich zwischen dem Innenumfang 174 des Stators 166 und dem Außenumfang 188 des Rotors 168 her. Das Magnetfeld rotiert mit 120.f.p^-1 Umdrehungen pro Minute - wobei p die Anzahl magnetischer Pole des Rotors ist - und bewirkt eine Rotation des Rotors 168 und der Welle 148, da die Permanentmagnete an dem Rotor 168 versuchen, sich mit dem rotierenden Magnetfeld selbst auszurichten.
Bei anderen Ausführungsformen kann der VFD 176 einen Gleichrichter und eine Zwischenschaltung (nicht gezeigt) umfassen. Der Gleichrichter erhält eine AC-Spannung und wandelt diese in eine pulsierende DC- Spannung um, die zu der Zwischenschaltung gespeist wird, die abhängig von dem Typ des verwendeten Gleichrichters und Wechselrichters die DC- Spannung stabilisiert oder diese in einen variablen DC-Strom oder eine variable DC-Spannung umwandelt. Für den variablen DC-Strom oder die variable DC-Spannung verwendet die VFD-Steuerung jeweils einen stromgespeisten Wechselrichter oder einen Wechselrichter, der eine Pulsamplitudenmodulation verwendet, um eine variable AC-Versorgung zu erzeugen, die die Drehzahl des Motors 164 regelt. Wechselrichter, die einen konstanten DC-Spannungseingang aufnehmen, wie beispielsweise der in Fig. 3 gezeigte Wechselrichter 178, verwenden eine Pulsbreitenmodulation, um eine variable AC-Versorgung zu erzeugen.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, umfasst die Motor- und Gebläseanordnung 112 auch einen hermetischen elektrischen Verbinder 190, der eine elektrische Verbindung zwischen internen Komponenten des Motorsteuerabschnitts 140 und den Elementen des Brennstoffzellensystems 110 und des Fahrzeugs vorsieht. Geeignete Verbinder 190 umfassen 10-Stift-Verbinder, wie beispielsweise PAVE-Mate-II-Verbinder, die von PAVE-Technologies, Dayton, OH erhältlich sind. Eine Vielzahl elektrischer Signale kann durch den Verbinder geleitet werden, einschließlich konstanter DC-Spannungseingänge für den Wechselrichter 178 (beispielsweise 300 VDC) und die Steuerschaltung 180 (12 VDC) wie auch Daten in Feldbusnorm (CAN), ein Sicherheits-E-Stopp-Signal, und Software. Ein CAN-Dateneingang zu dem Motorsteuerabschnitt 140 umfasst Steuersignale (beispielsweise eine Sollmotordrehzahl in U/min) und Kalibrierungssignale. Ähnlicherweise umfasst der CAN-Datenausgang von dem Motorsteuerabschnitt 140 Statussignale (beispielsweise eine Ist-Motordrehzahl in U/min) und Diagnosesignale (d. h. Fehlercodes).
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, umfasst die Motor- und Gebläseanordnung 112 Befestigungseinrichtungen 192, 194 (beispielsweise Kopfgewindeschrauben) zur Befestigung der Abschnitte des Gebläses 116 und der Steuerung 140 der Anordnung 112 an dem Motorabschnitt 114. Um Fluidlecks zu minimieren, umfasst die Anordnung 112 Dichtungen 196, 198, 200, die zwischen benachbarten Flächen der Flügelradgrundplatte 154 und dem Gebläseabschnitt 116 der Anordnung 112 und zwischen benachbarten Flächen des Motorabschnitts 116, der Grundplatte 154 und dem Steuerabschnitt 140 angeordnet sind. Die Dichtungen 196, 198, 200 umfassen Lagen mit Öffnungen, die so bemessen sind, um interne Komponenten der Anordnung 112 unterzubringen und einen Durchgang der Befestigungseinrichtungen 192, 194 zuzulassen, die sich zwischen benachbarten Abschnitten 114, 116, 140 der Motor- und Gebläseanordnung 112 erstrecken. Verwendbare Dichtungen 196, 198, 200 umfassen Lagen aus einem mit Metall beschichteten elastischen Material (beispielsweise natürliches oder synthetisches Elastomer) oder eine oder mehrere Lagen eines geschäumten Materials.
Die Komponenten der Motor- und Gebläseanordnung 112 sollten aus Materialien hergestellt sein, die die mechanischen, elektrischen, thermischen oder anderen Konstruktionsanforderungen von Fahrzeugen erfüllen können, wie beispielsweise Masse, Volumen und Kosten. Die Materialien sollten auch mit der Arbeitsumgebung der Anordnung kompatibel sein. Beispielsweise sollte das Gehäuse 142 der Anordnung dazu in der Lage sein, Angriffe von Komponenten auszuhalten, die in dem Motorraum des Fahrzeugs vorhanden sind (beispielsweise Straßenschmutzstoffe). Ähnlicherweise sollten die Komponenten des Gebläses 116 dazu in der Lage sein, Angriffe von korrosiven Bestandteilen des Anodengasrezirkulationsstroms auszuhalten, einschließlich Wasser, das während der Startphase und dem Abschalten des Brennstoffzellensystems 110 kondensieren kann. Es sollte auch aufgepasst werden, um sicherzustellen, dass die Komponenten der Anordnung 112 minimale Mengen an bestimmten Ionen - d. h. Chlor- und Metallionen - in den Anodengasrezirkulationsstrom abgeben. In den meisten Fällen sollte die Anordnung 112 auch den Gebrauch von Schmiermitteln vermeiden, die sich bei Betriebstemperaturen des Motors und Gebläses 112 verflüchtigen können. Geeignete Herstellmaterialien umfassen anodisiertes Aluminium, rostfreien Stahl und thermisch stabilen Kunststoff.
Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 110 tritt das Anodengas, das durch Pfeile 202 in Fig. 3 gezeigt ist, in den Gebläseabschnitt 116 der Anordnung 112 von der Rückführleitung 42 über einen Einlassdurchlass 204 ein, der benachbart des rotierenden Flügelrades 146 und des optionalen Pumpeneinlasskranzes 156 angeordnet ist. Anfänglich strömt das Anodengas entlang der Rotationsachse 150 des Flügelrades, wird aber durch die Wirkung der Flügelradflügel 158 und der Fläche 160 gewendet und strömt radial auswärts weg von der Rotationsachse 150. Das Anodengas rezirkuliert in dem Blockströmungsbereich des Flügelrades 146, um einen hohen statischen Druck aufzubauen und verlangsamt sich anschließend plötzlich nach Verlassen des Rotors 168 und dem Eintritt in den Diffusor 55 durch den Gebläseauslass 54, der die kinetische Energie des Gases in Druckenergie umwandelt. Von dem Diffusor 55 wird das unter Druck stehende Anodengas in die Austragsleitung 56 ausgestoßen.
Das unter Druck gesetzte Anodenrezirkulationsgas umfasst frischen Wasserstoff von dem Reservoir 60, der durch einen Durchlass 206 in dem Motorsteuerabschnitt 140 in die Anordnung 112 eintritt. Wie durch Pfeile 208 in Fig. 3 gezeigt ist, strömt der Zusatzwasserstoff anfänglich durch den Innenraum des Motorsteuerabschnitts 140. Der Zusatzwasserstoff strömt an der Wärmesenke / dem Kühlkörper 182 vorbei, der Wärme davon abzieht, die durch die Komponenten der VFD-Steuerung 176, die den Wechselrichter 178 und die Steuerschaltung 180 umfassen, erzeugt wird. Nach Verlassen des Motorsteuerabschnitts 140 strömt der Zusatzwasserstoff durch den Motorabschnitt 114 der Anordnung, wo das Gas Wärme von den Komponenten des Motors 164, die die Lager 170, 172, den Stator 166 und den Rotor 168 umfassen, herauszieht. Anschließend tritt der Wasserstoffstrom in den Gebläseabschnitt 116 durch einen ringförmigen Raum 210 oder Zwischenraum zwischen der starren Welle 148 und einer Wand 212 ein, die die Öffnung 152 in der Flügelradgrundplatte 154 definiert. Der Zusatzwasserstoff strömt radial auswärts von der Rotationsachse 150 in einen Spalt 214 oder Zwischenraum zwischen dem Flügelrad 146 und der Grundplatte 154. Dieser mischt sich dann mit dem Anodenrezirkulationsgas in dem Gebläse 116 und kühlt dieses und verlässt die hermetische Anordnung 112 durch den Gebläseauslass 54, den Diffusor 55 und die Austragsleitung 56.
Obwohl Fig. 3 zeigt, dass der Zusatzwasserstoff durch den Spalt 186 zwischen dem Stator 166 und dem Rotor 168 strömt, kann der Motor 164 andere Strömungswege umfassen. Beispielsweise können die Welle 148, der Stator 166, der Rotor 168 und Lager 170, 172 Kanäle umfassen, die zusätzliche Strömungswege für Wasserstoff vorsehen. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist der Wasserstoffeinlassdurchlass 206 entlang der gemeinsamen Rotationsachse 150 in dem Motorsteuerabschnitt 140 der Anordnung positioniert, kann aber allgemein an einer beliebigen Stelle in den Abschnitten 140 des Motors 114 und der Steuerung 140 angeordnet sein. In solchen Fällen kann die Anordnung 112 Ablenkeinrichtungen oder ähnliche Strukturen umfassen, um den Zusatzwasserstoff an verschiedene Orte innerhalb der Anordnung 112 zu lenken.
Bei anderen Ausführungsformen kann die Motor- und Gebläseanordnung 112 eine Labyrinthdichtung (nicht gezeigt) umfassen, die in dem ringförmigen Spalt 210 zwischen der Wand 212 der Flügelradgrundplattc 154 und der starren Welle 148 angeordnet ist. Die Labyrinthdichtung umfasst eine Serie von Schneidenbegrenzungen (knife edge restrictions), die sich von der starren Welle 148 in den ringförmigen Spalt 210 erstrecken. Diese Sperren mit engem Zwischenraum verringern den Durchfluss an Zusatzwasserstoff von dem Motorabschnitt 114 in den Gebläseabschnitt 116 der Anordnung 112, verhindern diesen jedoch nicht. Aufgrund der Größe des Druckabfalls über die Labyrinthdichtung kann die Durchflussrate von Zusatzwasserstoff durch die Motor- und Gebläseanordnung 112 jedoch unzureichend sein, um den Anodenrezirkulationsgasstrom bei den höchsten Lasten 22 wieder aufzufüllen. Somit kann das System 110 eine dritte Rohrleitung (nicht gezeigt) umfassen, die mit entweder dem Wasserstoffgasreservoir 60 oder dem Motorabschnitt 114 der Anordnung in Verbindung steht und frischen Wasserstoff in die Austragsleitung 56 unterstromig der Gebläse- und Motoranordnung 112 einführt. Obwohl die Ausführungsform komplexer als das in Fig. 2 gezeigte Brennstoffzellensystem 110 ist - die Ausführungsform wird möglicherweise zusätzliche Durchflussmengensteuerungen, mehr Rohrleitungen und eventuell einen größeren Wärmetauscher erfordern - kann die Labyrinthdichtung jegliche Leckagen an Anodenrezirkulationsgas in den Motorabschnitt 114 der Anordnung 112 weiter reduzieren.
Prozessparameter hängen zumindest zum Teil von den Eigenschaften des Brennstoffzellenstapels 12 und der Last 22 ab. Bei dem Brennstoffzellensystem 110, das in Fig. 2 gezeigt ist, liegt die Durchflussmengenrate in der Gebläseaustragsleitung 56 typischerweise im Bereich von etwa 0,5 g.s^-1 im Leerlauf (1% Last) bis zu etwa 24 g.s^-1 bei Spitzenlast, und der Absolutdruck liegt im Bereich von etwa 112 kPa bis etwa 244 kPa. Diese Durchflussraten setzen voraus, dass das Anodenrezirkulationsgas in der Austragsleitung 56 etwa 52 Mol-% Wasserstoff, etwa 28 Mol-% Stickstoff und etwa 20 Mol-% Wasserdampf umfasst und entsprechen Durchflussmengenraten für Zusatzwasserstoff im Bereich von 0,2 g.s^-1 bis etwa 1,5 g.s^-1. Um den Druckverlust über die Anordnung 112 zu bewältigen und einen minimalen Durchfluss von Anodenrezirkulationsgas in den Motorabschnitt 114 der Anordnung 112 sicherzustellen, liegt der Absolutdruck von Wasserstoff an dem Wasserstoffeinlassdurchlass 206 im Bereich von etwa 132 kPa (bei Leerlauf) bis etwa 264 kPa (bei Spitzenlast). Temperaturen des Anodengases in der Gebläseaustragsleitung 56 liegen typischerweise im Bereich von etwa 60°C bis 85°C. Die Temperatur des Zusatzwasserstoffes, der zu der Motor- und Gebläseanordnung 112 zugeführt wird, liegt typischerweise im Bereich von -20°C bis etwa 40°C (Umgebungstemperatur), da die Temperatur des Reservoirs 60 gewöhnlich nicht gesteuert wird.
Zusammengefasst ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das dazu verwendet werden kann, ein Fahrzeug anzutreiben. Das System umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der Wasserstoff und ein Oxidationsmittel verwendet, um Elektrizität zu erzeugen, und einen Rezirkulationskreis, der nicht reagiertem Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel zurückführt. Das System umfasst eine hermetisch abgedichtete Anordnung mit einem Gebläseabschnitt, der Wasserstoff in dem Rezirkulationskreis unter Druck setzt, und einem Motorabschnitt, der das Gebläse antreibt. Das System umfasst auch eine Quelle für Zusatzwasserstoff zum Wiederauffüllen von Wasserstoff in dem Rezirkulationskreis. Die Quelle führt Zusatzwasserstoff in den Motorabschnitt der Anordnung bei einem Druck ein, der größer als der Druck in dem Gebläseabschnitt der Anordnung ist. Folglich strömt Zusatzwasserstoff von dem Motorabschnitt der Anordnung in die Gebläseabschnittanordnung, in der sich dieser mit Komponenten in dem Rezirkulationskreis mischt. Es ist auch ein Verfahren zum Wiederauffüllen von Wasserstoff in dem Brennstoffzellenstapel offenbart.

Claims

1. Brennstoffzellensystem mit:
einem Brennstoffzellenstapel, der Wasserstoff und ein Oxidationsmittel verwendet, um Elektrizität zu erzeugen, wobei der Brennstoffzellenstapel einen Einlass zum Zuführen von Wasserstoff und einen Auslass zum Entfernen von nicht reagiertem Wasserstoff umfasst;
einem Rezirkulationskreis zum Rückführen von nicht reagiertem Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel, wobei der Rezirkulationskreis einen Durchflussweg zwischen dem Einlass und dem Auslass des Brennstoffzellenstapels vorsieht;
einer hermetisch abgedichteten Anordnung mit einem Gebläseabschnitt zur Druckbeaufschlagung von Wasserstoff in dem Rezirkulationskreis und einem Motorabschnitt zum Antrieb des Gebläses, wobei der Gebläseabschnitt der Anordnung in Fluidverbindung mit dem Rezirkulationskreis steht; und
einer Quelle für Zusatzwasserstoff, wobei die Quelle derart ausgebildet ist, um Zusatzwasserstoff in den Motorabschnitt der Anordnung bei einem Druck einzuführen, der größer als der Druck in dem Gebläseabschnitt der Anordnung ist.

2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Austragsleitung zur Entlüftung eines Anteils des nicht reagierten Wasserstoffs von dem Rezirkulationskreis.

3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Rezirkulationskreis eine Rohrleitung umfasst, die einen Durchflussweg zwischen dem Auslass des Brennstoffzellenstapels und einem Einlass des Gebläseabschnitts der Anordnung vorsieht.

4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei der Rezirkulationskreis ferner eine Austragsleitung umfasst, wobei die Austragsleitung einen Durchflussweg zwischen einem Auslass des Gebläseabschnittes der Anordnung und dem Einlass des Brennstoffzellenstapels vorsieht.

5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Rohrleitung, die eine Fluidverbindung zwischen dem Motorabschnitt der Anordnung und der Quelle für Zusatzwasserstoff vorsieht.

6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Wand, die die Motor- und Gebläseabschnitte der Anordnung trennt, wobei die Wand eine Öffnung aufweist, die zulässt, dass Zusatzwasserstoff von dem Motorabschnitt der Anordnung in den Gebläseabschnitt der Anordnung strömen kann.

7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Rohrleitung, die einen Durchflussweg zwischen dem Motorabschnitt der Anordnung und dem Rezirkulationskreis vorsieht.

8. Vorrichtung zum Wiederauffüllen von Wasserstoff in einem Brennstoffzellenstapel, wobei der Brennstoffzellenstapel einen Einlass zum Zuführen von Wasserstoff und einen Auslass zum Entfernen von nicht reagiertem Wasserstoff aufweist, wobei die Vorrichtung umfasst:
einen Rezirkulationskreis zum Rückführen von nicht reagiertem Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel, wobei der Rezirkulationskreis einen Durchflussweg zwischen dem Einlass und dem Auslass des Brennstoffzellenstapels vorsieht;
eine hermetisch abgedichtete Anordnung mit einem Gebläseabschnitt zur Druckbeaufschlagung von Wasserstoff in dem Rezirkulationskreis und einem Motorabschnitt zum Antrieb des Gebläses, wobei der Gebläseabschnitt der Anordnung in Fluidverbindung mit dem Rezirkulationskreis steht; und
eine Quelle für Zusatzwasserstoff, wobei die Quelle derart ausgebildet ist, um Wasserstoff in den Motorabschnitt der Anordnung bei einem Druck einzuführen, der größer als der Druck in dem Gebläseabschnitt der Anordnung ist.

9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, ferner mit einer Abgasleitung zum Entlüftung eines Anteils des nicht reagierten Wasserstoffs von dem Rezirkulationskreis.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Anordnung ferner einen Steuerabschnitt zur Regulierung des Motors umfasst, wobei der Steuerabschnitt in Fluidverbindung mit dem Motorabschnitt der Anordnung steht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, ferner mit einer Rohrleitung, die einen Durchflussweg zwischen der Quelle für Zusatzwasserstoff und dem Steuerabschnitt der Anordnung vorsieht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Steuerabschnitt der Anordnung einen Antrieb für variable Frequenz umfasst.

13. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Gebläseabschnitt der Anordnung ein Gebläse vom Teilabgabetyp ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Motorabschnitt der Anordnung einen bürstenlosen AC- Motor umfasst.

15. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Anordnung ferner eine Wand umfasst, die die Motor- und Gebläseabschnitte der Anordnung trennt, wobei die Wand eine Öffnung vorsieht, die einen Durchflussweg für Zusatzwasserstoff vorsieht, der von dem Motorabschnitt der Anordnung in den Gebläseabschnitt der Anordnung strömt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Anordnung ferner eine starre Welle umfasst, die sich von dem Motorabschnitt der Anordnung in den Gebläseabschnitt der Anordnung durch die Öffnung in der Wand erstreckt, die die Motor- und Gebläseabschnitte der Anordnung trennt, wobei die starre Welle eine mechanische Kopplung zwischen dem Gebläseabschnitt der Anordnung und dem Motorabschnitt der Anordnung vorsieht.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Anordnung eine Labyrinthdichtung umfasst, die in der Öffnung zwischen der Wand und der starren Welle angeordnet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 8, ferner mit einer Rohrleitung, die einen Durchflussweg zwischen dem Motorabschnitt der Anordnung und dem Rezirkulationskreis vorsieht.

19. Verfahren zum Wiederauffüllen von Wasserstoff in einem Brennstoffzellenstapel, wobei der Brennstoffzellenstapel einen Einlass zum Zuführen von Wasserstoff und einen Auslass zur Entfernung von nicht reagiertem Wasserstoff umfasst, wobei das Verfahren umfasst, dass:
nicht reagierter Wasserstoff von dem Auslass des Brennstoffzellenstapels zu dem Einlass des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung eines Gebläses rezirkuliert wird;
das Gebläse unter Verwendung eines Motors angetrieben wird, wobei der Motor hermetisch mit dem Gebläse gekoppelt ist und einen Durchflussweg umfasst, der eine Fluidverbindung zwischen dem Motor und dem Gebläse vorsieht; und
Zusatzwasserstoff in den Motor bei einem Druck eingeführt wird, der höher als der Druck in dem Gebläse ist, so dass Zusatzwasserstoff von dem Motor durch den Durchflussweg in das Gebläse strömt.

20. Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend, dass:
ein Anteil des Zusatzwasserstoffs durch eine Rohrleitung geführt wird, die den Motor und den Rezirkulationskreis verbindet.