-
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) als
der attraktivste. Wasserstoff besitzt eine ausgezeichnete elektrochemische
Reaktivität,
sieht ausreichende Leistungsdichteniveaus in einem luftoxidierten
System vor und erzeugt bei Oxidation nur Wasser.
-
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 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 Anoden gasstrom 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 1 gezeigt
ist, ein verwendbares Schema darstellt, weisen existierende über Motor 44 angetriebene
Gebläse 46 für Brennstoffzellenanwendungen verschiedene
Schwie rigkeiten 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
US 4,075,396 A beschreibt
eine Vorrichtung und ein Verfahren nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
-
Die
US 5,957,667 A beschreibt
einen Verdichter, der einen Kolben antreibenden Motor umfasst, um
ein Gas zu komprimieren.
-
Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eines oder mehrere der
oben beschriebenen Probleme zu lösen
oder zumindest eine Minderung derselben zu unterstützen.
-
Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
-
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 Zuführen von
Wasserstoff in den 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 ver hindern 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 zum Rückführen von
Wasserstoff zu 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 von Wasserstoff zu 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:
-
1 ein
auf Wasserstoff basierendes Brennstoffzellensystem. zeigt;
-
2 ein
Brennstoffzellensystem zeigt, das eine hermetisch abgedichtete Anordnung
aus mit Wasserstoff gespültem
Motor und Gebläse
zur Anodengasrezirkulation verwendet; und
-
3 eine
teilweise Schnittansicht der hermetisch abgedichteten Anordnung
aus mit Wasserstoff gespültem
Motor und Gebläse
von 2 zeigt.
-
2 zeigt
ein Brennstoffzellensystem 110, das eine hermetisch abgedichtete
Anordnung 112 aus Motor und Gebläse umfasst. Das Brennstoffzellensystem 110 ist ähnlich dem
in 1 gezeigten System 10 und umfasst viele
derselben 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. Von
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 Motorab schnitt 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 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 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 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.
-
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 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 beispiels weise
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 3 gezeigt
ist. Die Welle 148 läuft
entlang der Länge
des Motorabschnitts 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 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 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 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
und Samarium-Kobalt-Ferrit und 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 3 gezeigt
ist, umfasst drei Paare von Halbleitern 184, die beispielsweise
Bipolartransistoren mit isoliertem Gate, Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren,
bipolare Transistoren und Thyristoren 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 (f) 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 3 gezeigte Wechselrichter 178, verwenden
eine Pulsbreitenmodulation, um eine variable AC-Versorgung zu erzeugen.
-
Wie
in 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 Fahr zeugs 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 3 gezeigt ist, umfasst die Motor- und Gebläseartordnung 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 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 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 Ano dengas 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 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 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 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 Flügelradgrundplatte 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 Ausfüh rungsform
komplexer als das in 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 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 etw 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 Zuführen von
Wasserstoff in den 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 Rückführen von
Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel offenbart.