DE112004001715T5

DE112004001715T5 - Brennstoffzellenabschaltung und -start unter Verwendung einer Kathodenrückführschleife

Info

Publication number: DE112004001715T5
Application number: DE112004001715T
Authority: DE
Inventors: Steven G. Goebel
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-09-17
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2024-06-26
Also published as: DE112004001715B4; WO2005036683A1; US7479337B2; JP2007506245A; JP4943151B2; US20050058860A1

Abstract

Verfahren zum Abschalten eines in Betrieb befindlichen Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren umfasst, dass:
das System ausgebildet wird, damit es umfasst:
zumindest eine Brennstoffzelle, die eine Anode, eine Kathode und eine Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, umfasst,
einen Anodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Anode mit einer Brennstoffquelle zu koppeln;
einen Kathodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Kathode mit einer Sauerstoffquelle zu koppeln, wobei der Kathodenströmungspfad eine darin angeordnete Umwälzschleife umfasst; und
ein Spülventil, das fluidmäßig mit der Anode gekoppelt ist;
die Anode von der Brennstoffquelle entkoppelt wird;
Fluid, das in dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist, durch die Umwälzschleife rückgeführt wird;
Brennstoff von der Brennstoffquelle in die Umwälzschleife eingeführt wird;
Brennstoff mit dem rückgeführten Fluid reagiert wird, bis eine Spannung, die über die Brennstoffzelle gemessen ist, einen vorbestimmten Pegel erreicht;
die Brennstoffquelle von der...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Betrieb eines Brennstoffzellensystems und insbesondere einen Start und ein Abschalten einer Brennstoffzelle derart, dass eine Oxidation von Katalysatorträgermaterial minimiert wird, während eine einfache Ausgestaltung des Systems beibehalten wird.
Die Verwendung von Katalysatoren, um die elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff in Brennstoffzellen zu erleichtern, ist gut bekannt. Typischerweise liegt der Katalysator in der Form eines Edelmetallpulvers vor, das auf einem Träger verteilt ist, der selbst ein Pulver aus größeren Kohlenstoffpartikeln oder Partikeln auf Kohlenstoffbasis ist. Diese pulverbasierte Vorgehensweise erlaubt eine erhebliche Erhöhung der Oberfläche, auf der die vorher erwähnte Reaktion stattfinden kann. Während eine derartige Ausgestaltung für einen effizienten kompakten Reaktor sorgt, der durch das Verbreiten des relativ teuren Katalysators (wie beispielsweise Platin) über eine große Fläche in erheblichen Verbesserungen der Energieabgabe mit einer gleichzeitigen Verringerung der Rohmaterialkosten resultiert, kann seine Wirksamkeit durch bestimmte Betriebsarten eingeschränkt werden. Beispielsweise hält selbst dann, wenn der Bedarf nach elektrischem Strom, der in einer Brennstoffzelle erzeugt wird, verringert ist oder endet, die Erzeugung einer Leerlaufspannung (typischerweise etwa 0,9 V oder höher) durch die restlichen Sauerstoff- und Wasserstoffreaktanden an, was zu einer Katalysator- und Katalysa torträgeroxidation führen kann, wodurch die Brennstoffzellenlebensdauer verringert wird. Von noch größerer Bedeutung ist die Anwesenheit einer Wasserstoff-Luft-Grenzfläche an einer der Brennstoffzellenelektroden (wie der Anode), während Luft an der anderen Elektrode (wie der Kathode) vorhanden ist, was dazu führen kann, dass Potentiale zwischen 1,4 V und 1,8 V erzeugt werden. Diese erhöhten Potentiale verschlimmern die vorher erwähnte Korrosion des Katalysators und des Katalysatorträgermaterials. Diese Situation kann beim Start (wenn Luft durch Wasserstoff gespült wird) und beim Abschalten (wenn Luft in die Anode eingeführt wird, da Wasserstoff durch Übergang verbraucht wird) auftreten. Die vorliegenden Erfinder haben beobachtet, dass es den Anschein hat, dass Betriebsübergänge, insbesondere wiederholte Systemstarts und -abschaltungen die Brennstoffzellenlebensdauer wesentlich schneller verkürzen, als der vergleichbare stationäre Betrieb, der zwischen derartigen Übergängen erfolgt.
Ein Weg, um das Problem des restlichen Brennstoffs und Oxidationsmittels zu mindern, besteht darin, ein Inertgas einzublasen, um sowohl den Anodenströmungspfad als auch den Kathodenströmungspfad unmittelbar auf eine Zellenabschaltung zu spülen. Dies kann beispielsweise durch Einspritzen von an Bord befindlichem Stickstoff in die Anoden- und die Kathodenströmungspfade erreicht werden. Jedoch ist dies insbesondere für viele fahrzeugbasierte Brennstoffzellensysteme nachteilig, da die an Bord erfolgende Verwendung einer parasitären Versorgung für gasförmigen Stickstoff wertvollen Fahrzeugraum einnehmen würde, der ansonsten für Fahrgast-, Komfort- oder Sicherheitsmerkmale verwendet werden könnte. Eine andere Vorgehensweise besteht darin, Luft in den Anodenströmungspfad einzuführen, so dass die Luft mit dem restlichen Wasserstoff reagieren kann. Durch Umwälzen dieser Mischung kann der Wasserstoff gezündet oder katalytisch reagiert werden, bis schließlich keiner mehr vorhanden ist. Durch diese Vorgehensweise ist kein an Bord befind liches Stickstoffspülgas erforderlich. Jedoch ist dieses System dahingehend nachteilig, dass eine komplexe Systembaugruppe erforderlich ist, die zusätzliche Pumpen umfasst, die mit komplizierten Ventilnetzwerken gekoppelt sind, die alle miteinander durch Präzisionssteuermechanismen verbunden sind. Demgemäß besteht ein Bedarf nach einem Brennstoffzellensystem, das gestartet und abgeschaltet werden kann, ohne auf Vorgehensweisen zurückzugreifen, die erhebliche Erhöhungen hinsichtlich Gewicht, Volumen und Komplexität erfordern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dieser Bedarf wird durch die vorliegende Erfindung erfüllt, wobei ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betrieb des Systems derart, dass die nachteiligen Wirkungen von Betriebsübergängen auf Systemkomponenten vermieden werden, offenbart ist. Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems offenbart. Das Brennstoffzellensystem umfasst zumindest eine Brennstoffzelle, die aus zumindest einer Anode, einer Kathode und einer Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, besteht, zusätzlich zu einem Anodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Anode mit einer Brennstoffquelle zu koppeln, einem Kathodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Kathode mit einer Sauerstoffquelle zu koppeln, und einem Spülventil, um das Einführen eines Spülfluids in die Anode zuzulassen. Die vorher erwähnten Strömungspfade können eine Trägerausstattung umfassen, die für die Strömung von Fluiden in und um die Brennstoffzelle herum notwendig ist und eine Verrohrung wie auch zugeordnete Leitungen umfasst. Ventile (zusätzlich zu dem vorher erwähnten Spülventil), Pumpen und zugeordnete Baugruppen können, während sie auch Teil des Strömungspfades bilden, einzeln diskutiert werden, um ihre Funktion in ihrem jewei ligen Strömungspfad deutlicher zu bezeichnen. In dem vorliegenden System wird eine Umwälzschleife in dem Kathodenströmungspfad gebildet und sieht im Zusammenhang mit der Verbindbarkeit zwischen dem Kathodenströmungspfad und dem Anodenströmungspfad ein Mittel zur Erzeugung eines Inertgases ohne die hohen Temperaturen vor, die mit einer unverdünnten stöchiometrischen Verbrennung in Verbindung stehen. Während ein Typ von Brennstoffzelle, der aus der vorliegenden Erfindung einen Nutzen ziehen kann, eine Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (PEM) ist, sei für Fachleute angemerkt, dass die Verwendung anderer Brennstoffzellenausgestaltungen ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt. Der vorliegende Betrieb erfolgt durch Entkoppeln der Anode von der Brennstoffquelle, so dass die Strömung von Brennstoff abgeschaltet ist, Rückführen von Fluid, das in dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist, durch die Umwälzschleife, Einführen von Brennstoff in die Umwälzschleife, so dass dieser mit dem rückgeführten Fluid reagieren kann, bis die Spannung der Brennstoffzelle verringert ist (wie beispielsweise dadurch, dass das rückgeführte Fluid im Wesentlichen sauerstoffabgereichert wird), Entkoppeln der Brennstoffquelle von der Umwälzschleife, um die Strömung von Brennstoff durch diese zu unterbrechen, und anschließend Einführen eines Spülfluids in den Anodenströmungspfad, so dass jegliches Fluid, das bisher in dem Anodenströmungspfad war, im Wesentlichen entfernt wird. Der Begriff "Sauerstoffquelle" und seine Varianten sind breit zu verstehen, wobei jede Vorrichtung, jeder Behälter oder jede Umgebung (einschließlich dem umgebenden Umfeld) eingeschlossen ist, die bzw. der derart ausgebildet ist, um Sauerstoff oder eine beträchtlich sauerstoffführende Verbindung, Mischung oder dergleichen vorzusehen. Die Verringerung der Spannung (die durch ein beliebiges herkömmliches Mittel gemessen werden kann) erlaubt eine einfachere Systemausgestaltung und einen einfacheren Systembetrieb. Beispielsweise kann durch Ausbilden einer Verringerung der Spannung an einer der Elektroden an dem Beginn des Übergangsbetriebszustandes eine andauernde oder beginnende Inertisierung verringert oder beseitigt werden, da der niedrigere Spannungspegel mit einer Luftspülung kompatibel ist.
Optional dazu kann eine Druckquelle (beispielsweise ein Luftkompressor) verwendet werden, um Fluid, das in der Umwälzschleife enthalten ist, unter Druck zu setzen. Bevorzugt ist das Spülventil oberstromig der Kathode angeordnet, so dass das Spülfluid (das das im Wesentlichen sauerstoffabgereicherte Fluid und/oder Luft sein kann) von dem Kathodenströmungspfad oberstromig der Kathode und unterstromig der Sauerstoffquelle umgelenkt wird. In dem Fall, wenn das Spülfluid beide umfasst, folgt der begrenzten Menge an im Wesentlichen sauerstoffabgereichertem Fluid, das durch den Abschnitt der Umwälzschleife geführt wird, die mit dem Kathodenströmungspfad übereinstimmt, dann eine größere Menge an Luft, die von der Sauerstoffquelle zugeführt werden kann. Die Anordnung des Spülventils oberstromig der Kathode erlaubt, dass Luft von der Sauerstoffquelle die Anode spülen kann, ohne dass eine große Menge des im Wesentlichen sauerstoffabgereicherten Fluids verwendet wird, das durch die Reaktion zwischen dem Brennstoff und Sauerstoff erzeugt wird. Dies kann einen einfacheren Systembetrieb wie auch eine verringerte Abhängigkeit von dem inertisierenden Fluid, das durch die Brennstoff-Sauerstoff-Reaktion erzeugt wird, ermöglichen.
Bei einer bestimmten Ausführungsform umfasst die Rückführung ferner ein Schließen eines Kathodenaustrittsventils und ein Öffnen eines Kathodenströmungspfadrückführventils, die beide in der Umwälzschleife angeordnet sind. Zusätzlich umfasst der Schritt zum Einführen von Luft und/oder dem im Wesentlichen sauerstoffabgereicherten Fluid in die Anode durch das Spülventil ein Einführen des im Wesentlichen sauer stoffabgereicherten Fluids in die Anode, gefolgt durch Einführen der Luft in die Anode. Um dies zu erreichen, ist das Spülventil zwischen der Umwälzschleife und dem Anodenströmungspfad angeordnet, und insbesondere, wenn das Spülventil fluidmäßig mit der Umwälzschleife oberstromig der Kathode gekoppelt ist. Das Einführen von Brennstoff in die Umwälzschleife kann durch Einstellen eines Brennstoffinertisierungsventils erreicht werden, das den Anodenströmungspfad fluidmäßig mit dem Kathodenströmungspfad koppelt. Der Schritt zum Einführen des im Wesentlichen sauerstoffabgereicherten Fluids und der Luft in die Anode wird durch Schließen des Brennstoffinertisierungsventils und durch Öffnen des Spülventils bewirkt.
Bei einer anderen Option kann die Menge an Brennstoff, die in die Umwälzschleife eingeführt wird, geregelt werden, um ein vorbestimmtes Verhältnis zwischen dem Brennstoff und dem Sauerstoff, der in dem rückgeführten Fluid vorhanden ist, aufrecht zu erhalten. Der Schritt zum Regeln der Menge an Brennstoff umfasst ein Erfassen der Menge an Sauerstoff, die in der Umwälzschleife vorhanden ist, und ein Einstellen eines Brennstoffinertisierungsventils, das den Anodenströmungspfad fluidmäßig mit der Umwälzschleife koppelt. Bei einer Ausführungsform ist der Brennstoff wasserstoffreich und kann Methanol, Wasserstoff, Methan, Benzin oder ein ähnlicher wasserstoffhaltiger Brennstoff sein. Bei einer Ausführungsform sieht die Sauerstoffquelle Luft vor. Zusätzlich findet die Reaktion in der Anwesenheit eines Katalysators statt. Der Katalysator kann entweder an der Kathode oder in einem Brenner angeordnet sein, der fluidmäßig mit dem Kathodenströmungspfad gekoppelt ist. In Situationen, die einen Brenner betreffen, kann ein Kühler zwischen dem Brenner und der zumindest einen Brennstoffzelle angeordnet sein. Bei einer bestimmten Ausführungsform wird das Entkoppeln der Anode von der Brennstoffquelle durch Schließen eines Brennstofflieferventils erreicht.
Gemäß eines anderen Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems offenbart. Wie zuvor umfasst das Brennstoffzellensystem zumindest eine Brennstoffzelle, die zumindest aus einer Anode, einer Kathode und einer Membran die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, besteht, zusätzlich zu einem Anodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Anode mit einer Brennstoffquelle zu koppeln, und einem Kathodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Kathode mit einer Sauerstoffquelle zu koppeln. Zusätzlich umfasst es eine Vielzahl von Ventilen, die derart ausgebildet sind, um eine Fluidverbindung zwischen dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad herzustellen, wie auch eine Druckquelle, die mit der Luftquelle gekoppelt ist, und eine Vorrichtung, um eine Reaktion zwischen Brennstoff und Luft zu erleichtern. Die Schritte, die bei dem vorliegenden Verfahren betroffen sind, umfassen ein Entkoppeln der Anode von der Brennstoffquelle, ein Rückführen von Fluid, das in dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist, durch die Umwälzschleife, ein Einführen von Brennstoff in die Umwälzschleife, eine Reaktion des Brennstoffs mit dem rückgeführten Fluid, bis die Spannung der Brennstoffzelle verringert ist, ein Entkoppeln der Brennstoffquelle von der Umwälzschleife, um eine Brennstoffströmung zu unterbrechen, und ein Einführen von Luft, nachdem das im Wesentlichen sauerstoffabgereicherte Fluid von zumindest einem Abschnitt des Kathodenströmungspfads in den Anodenströmungspfad eingeführt ist, so dass jegliches Fluid, das vorher darin vorhanden war, von diesem im Wesentlichen gespült wird.
Gemäß eines noch weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems offenbart. Die Komponenten in dem System umfassen zumindest eine Brennstoffzelle, einen Anodenströmungspfad, einen Kathodenströmungspfad und ein Spülventil, die alle vorher beschrieben wurden. Schritte bei diesem Verfahren umfassen ein Rückführen von Fluid, das in dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist, durch die Umwälzschleife, ein Einführen des Brennstoffs in die Umwälzschleife, eine Reaktion des Brennstoffs mit dem rückgeführten Fluid in der Vorrichtung, bis eine Spannung über die Brennstoffzelle auf einen vorbestimmten Pegel verringert ist, ein Entkoppeln der Brennstoffquelle von der Umwälzschleife, um eine Strömung des Brennstoffs dorthin zu unterbrechen, ein Füllen der Anode mit Brennstoff und ein Einführen von Luft in die Kathode, so dass die zumindest eine Brennstoffzelle den Betrieb beginnen kann.
Optional dazu erzeugt die Anwesenheit des im Wesentlichen sauerstoffabgereicherten Fluids in der Umwälzschleife (zumindest temporär) eine negative Spannung über die Brennstoffzelle, da überschüssiger Wasserstoff an der Kathode auftreten kann, während Luft an der Anode auftritt. Ein Füllen der Anode mit Brennstoff kann durch Öffnen eines Brennstofflieferventils, das in dem Anodenströmungspfad angeordnet ist, erreicht werden. Der Schritt zum Einführen der Luft in die Kathode umfasst ein Öffnen eines Rückschlagventils, das in der Umwälzschleife angeordnet ist. Ähnlicherweise umfasst der Schritt zum Einführen der Luft in die Kathode ferner ein Einstellen eines Rückführventils, das in der Umwälzschleife angeordnet ist, während ein Ablassen von Fluid von der Sauerstoffquelle in die Anode verwendet werden kann, um einen Start bei niedriger Temperatur zu erleichtern, oder ein Ablassen von Brennstoff von der Brennstoffquelle in die Kathode dazu verwendet werden kann, einen Start bei niedriger Temperatur zu erleichtern. Zusätzlich kann das Brennstoffzellensystem eine Vielzahl von Ventilen umfassen, die derart ausgebildet sind, um eine Fluidverbindung zwischen dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad herzustellen, wie auch eine Druckquelle, die mit der Luftquelle gekoppelt ist, und eine Vorrichtung, um eine Reaktion zwischen Brennstoff und Luft zu erleichtern. Optionale Schritte können ein Einrichten des einen oder der mehreren Ventile, die in der Umwälzschleife angeordnet sind, so, dass das Fluid, das durch die Druckquelle unter Druck gesetzt wird, durch die Schleife rückgeführt werden kann, ein Einrichten des Brennstoffinertisierungsventils so, dass Brennstoff von der Brennstoffquelle in den Kathodenströmungspfad eingeführt werden kann, eine Reaktion des Brennstoffs mit dem rückgeführten Fluid, bis das rückgeführte Fluid im Wesentlichen sauerstoffabgereichert wird, ein Schließen des Inertisierungsventils, um die Brennstoffquelle von dem Kathodenströmungspfad zu entkoppeln, ein Öffnen des Brennstofflieferventils, um die Anode mit Brennstoff zu füllen, und ein Einführen von Luft in die Kathode umfassen, so dass die zumindest eine Brennstoffzelle den Betrieb beginnen kann.
Gemäß eines noch weiteren Aspekts der Erfindung ist eine Vorrichtung offenbart, die zumindest eine Brennstoffzelle umfasst. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode, eine Kathode und eine Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Die Vorrichtung umfasst auch einen Anodenströmungspfad, einen Kathodenströmungspfad und eine Vielzahl von Ventilen, die derart ausgebildet sind, um eine Fluidverbindung zwischen dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad herzustellen, wie alle vorher beschrieben wurden. Die Vielzahl von Ventilen umfasst ein Brennstofflieferventil, das zwischen der Brennstoffquelle und der Anode angeordnet ist, zumindest ein Ventil, das in der Umwälzschleife angeordnet ist, um selektiv eine Rückführung von Fluid in der Schleife zuzulassen, ein Brennstoffinertisierungsventil und ein Spülventil. Wie vorher beschrieben wurde, erlaubt die Anordnung des Spülventils oberstromig der Kathode, dass Luft von der Sauerstoffquelle die Anode spülen kann, ohne eine große Menge des im Wesentlichen sauerstoffabgereicherten Fluids zu verwenden, das in dem Reaktor zwischen dem Brenn stoff und dem Sauerstoff erzeugt wird. Die Vorrichtung umfasst auch einen Reaktor, der derart ausgebildet ist, um die Reaktion zwischen Brennstoff und Sauerstoff zu unterstützen. Die Vorrichtung kann ferner einen Energieumwandlungsmechanismus umfassen, der derart ausgebildet ist, um Elektrizität aufzunehmen, die von dem Brennstoffzellensystem erzeugt wird, und diese in Antriebsenergie umzuwandeln, und kann ferner ein Fahrzeug umfassen, das derart ausgebildet ist, dass es das Brennstoffzellensystem und den Energieumwandlungsmechanismus aufnimmt. Das Fahrzeug (ein Beispiel davon kann ein Auto, ein Lastwagen, ein Motorrad, ein Flugzeug oder ein Wasserfahrzeug sein) ist in Ansprechen auf die Antriebsenergie bewegbar, die in dem Energieumwandlungsmechanismus erzeugt wird.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung ist ein Verfahren für einen Übergangsbetrieb eines Brennstoffzellensystems offenbart. In dem vorliegenden Zusammenhang umfassen Übergangsbetriebsarten eine erste Betriebsart, in der das System gestartet wird, und eine zweite Betriebsart, in der das System abgeschaltet wird. Das Verfahren umfasst das Ausbilden des Systems auf eine der vorher beschriebenen Arten, ein Auswählen von einem der beiden vorher erwähnten Übergangsbetriebsarten, ein Rückführen von Fluid, das in dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist, durch die Umwälzschleife, so dass Brennstoff mit dem rückgeführten Fluid reagiert, bis die Brennstoffzellenspannung auf einen vorbestimmten Pegel verringert ist, ein Unterbrechen des Reagierens und Einführens eines Fluids in die Anode und/oder die Kathode, so dass jegliches Fluid, das vorher in der jeweiligen Elektrode vorhanden war, im Wesentlichen von diesem gespült wird.
Zusätzliche optionale Schritte können umfassen, dass ein Spülventil in dem Anodenspülströmungspfad vorgesehen wird, um das selektive Kop peln der Umwälzschleife mit der Anode zu bewirken. Zusätzlich zu dem Spülventil umfasst das System bevorzugt eine Vielzahl von Ventilen, wie vorhin beschrieben wurde. Bei einer anderen Option umfasst der Schritt zum Einführen eines Fluids in die Anode und/oder die Kathode ein sequentielles Einführen des im Wesentlichen sauerstoffabgereicherten Fluids gefolgt durch Luft. Ähnlicherweise kann der Schritt zum Unterbrechen der Reaktion durch Schließen des Brennstoffinertisierungsventils erreicht werden. Für die Startschritte umfasst das Auswählen ein Auswählen der ersten Betriebsart. Zusätzlich kann die Anode mit Brennstoff gefüllt werden, nachdem die Reaktion unterbrochen worden ist, während Luft durch die Kathode strömen kann, sobald die Anode mit Brennstoff gefüllt worden ist. Dieser letzte Schritt kann erreicht werden durch Deaktivierung der Umwälzschleife (beispielsweise durch geeignete Betätigung des vorher beschriebenen Kathodenaustrittsventils und/oder Kathodenströmungspfadrückführventils). Für die Abschaltschritte kann die Anode von der Brennstoffquelle entkoppelt werden, bevor das Fluid, das in dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist, durch die Umwälzschleife rückgeführt wird. Zusätzlich kann die Fluidströmung durch den Kathodenströmungspfad gestoppt werden, sobald die Anode im Wesentlichen gespült ist. Wie vorher beschrieben wurde, kann das Fluid, das dazu verwendet wird, die Anode oder Kathode zu spülen, Luft, das inertisierende Fluid, das durch die Reaktion in der Umwälzschleife erzeugt wird, oder beides sein. Wenn das Fluid, das zum Spülen verwendet wird, Luft ist, kann es in den Anodenströmungspfad von dem Kathodenströmungspfad eingeführt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die folgende detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird am Besten in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen verständlich, wobei ein gleicher Aufbau mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet ist und wobei:
1A ein Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems zeigt, das für eine Fahrzeuganwendung ausgebildet ist;
1B eine repräsentative Brennstoffzelle von dem System von 1A zeigt;
1C eine Vergrößerung des Gebiets zwischen der Anode und der Membran der Brennstoffzelle von 1B zeigt, wobei die Anordnung eines Katalysators an einem Träger hervorgehoben ist und wobei der Katalysator dazu verwendet wird, die Ionisierung des Brennstoffs zu erleichtern;
2A ein Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung zeigt;
2B eine Variation des Systems von 2A zeigt;
2C eine Variation des Systems von 2 zeigt, wobei das Spülventil oberstromig der Kathode angeordnet ist;
3 ein Fahrzeug zeigt, das das Brennstoffzellensystem von entweder 2A oder 2B zeigt; und
4 die verschiedenen Elektronen- und Protonenflusspfade und Fluidgebiete über eine Brennstoffzelle während eines Brennstoffzellenbetriebsübergangs zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Wie anfänglich in 1A gezeigt ist, hebt ein Blockschaubild die Hauptkomponenten eines mobilen Brennstoffzellensystems 1 gemäß der vorliegenden Erfindung hervor. Das System umfasst ein Brennstoffliefersystem 100 (bestehend aus einer Brennstoffquelle 100A und einer Sauerstoffquelle 100B), ein Brennstoff verarbeitendes System 200, eine Brennstoffzelle 300, eine oder mehrere Energiespeichervorrichtungen 400, einen Antriebsstrang 500 und eine oder mehrere Antriebsvorrichtungen 600, die fiktiv als ein Rad gezeigt sind. Während das vorliegende System 1 für mobile (beispielsweise Fahrzeug-) Anwendungen gezeigt ist, sei für Fachleute angemerkt, dass die Verwendung der Brennstoffzelle 300 und ihrer Zubehörausstattung gleichermaßen auf stationäre Anwendungen anwendbar ist. Für Fachleute sei ebenfalls angemerkt, dass andere Brennstoffliefer- und Brennstoffverarbeitungssysteme verfügbar sind. Beispielsweise könnte zusätzlich zu einer Brennstoffquelle 100A und einer Sauerstoffquelle 100B eine Wasserquelle (nicht gezeigt) vorhanden sein. Ähnlicherweise braucht bei einigen Varianten, bei denen bereits im Wesentlichen gereinigter Brennstoff verfügbar ist, das Brennstoff verarbeitende System 200 nicht vorhanden sein. Die Energiespeichervorrichtungen 400 können in der Form einer oder mehrerer Batterien, Kondensatoren, elektrischer Wandler oder sogar eines Motors vorhanden sein, um den von der Brennstoffzelle 300 stammenden elektrischen Strom in mechanische Energie umzuwandeln, wie beispielsweise Energie für die Rotation einer Welle, die dazu verwendet werden kann, einen Antriebsstrang 500 und eine oder mehrere Antriebsvorrichtungen 600 zu betreiben. Das Brennstoff verarbeitende System 200 kann eingebaut werden, um einen Rohbrennstoff, wie beispielsweise Methanol, in Wasserstoff oder einen wasserstoffreichen Brennstoff zur Verwendung in der Brennstoffzelle 300 umzuwandeln. Andernfalls braucht bei Ausgestaltungen, bei denen die Brennstoffquelle 100A bereits im Wesentlichen reinen Wasserstoff liefert, das Brennstoff verarbeitende System 200 nicht vorhanden sein. Die Brennstoffzelle 300 umfasst eine Anode 310, eine Kathode 330 und eine Elektrolytschicht 320, die zwischen der Anode 310 und der Kathode 330 angeordnet ist. Obwohl nur eine einzelne Brennstoffzelle 300 gezeigt ist, sei für Fachleute angemerkt, dass das Brennstoffzellensystem 1 (insbesondere diejenigen für Fahrzeug- und damit in Verbindung stehende Anwendungen) aus einem Stapel derartiger Zellen, die in Serie geschaltet sind, bestehen kann.
Wie in den 1B und 1C gezeigt ist, umfasst die Anode 310 ein Elektrodensubstrat 312 und eine Katalysatorschicht 314, die mit einem Strömungskanal 316 verbunden sind. Die Kathode 330 umfasst ein Elektrodensubstrat 332 und eine Katalysatorschicht 334, die mit einem Strömungskanal 336 verbunden sind. Die Strömungskanäle 316, 336 bilden den Teil eines Anodenströmungspfades und Kathodenströmungspfades (beide unten beschrieben), die mit ihrer jeweiligen Anode und Kathode in Kontakt stehen. Bevorzugt sind die Elektrodensubstrate 312, 332 porös, um eine Diffusion von Brennstoff und Sauerstoff wie auch die Strömung von Wasser zuzulassen, das sich als ein Ergebnis der Brennstoff-Sauerstoff-Reaktion bildet. Die Katalysatorschicht 314 besteht aus einem Katalysator 314A, der auf der Oberfläche eines Trägers 314B verteilt ist. Die Elektrolytschicht 320, die vorliegend in der Form einer Protonenaustauschmembran gezeigt ist, ist zwischen jeder der Anode 310 und Kathode 330 angeordnet, um zuzulassen, dass der ionisierte Wasserstoff von der Anode 310 zu der Kathode 330 strömen kann, während der Durchgang von elektrischem Strom hindurch gehemmt wird. Brennstoff (typischerweise in der Form von gasförmigem Wasserstoff) gelangt durch den Strömungskanal 316, wobei zugelassen wird, dass der Brennstoff durch das Elektrodensubstrat 312 diffundieren und in Kontakt mit dem Katalysator 314A kommen kann, durch den die elektrochemische Oxidation des Wasserstoff-Brennstoffs um das fortschreitet, von dem angenommen wird, dass es eine Dissoziations-Adsorptionsreaktion ist. Diese Reaktion wird durch den Katalysator 314A typischerweise in der Form fein geteilter Partikel eines Edelmetalls (wie beispielsweise Platin) erleichtert, die über die Oberfläche des Trägers 314B verteilt sind, der typischerweise auf Kohlenstoffbasis vorliegt. Die positiv geladenen Wasserstoffionen (Protonen), die an der Anode 310 erzeugt werden, gelangen dann durch den Elektrolyt 320 zur Reaktion mit den negativ geladenen Sauerstoffionen, die an der Kathode 330 erzeugt werden. Der Fluss freigesetzter Elektronen bildet einen Strom durch die Last 400, so dass ein Motor oder eine zugeordnete auf Strom ansprechende Vorrichtung in Rotation versetzt werden kann. Eine Last 400, die in der Form der vorher beschriebenen Energiespeichervorrichtung gezeigt ist, stellt einen Pfad für elektrischen Fluss zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle 300 fertig. Eine zusätzliche Pumpe (nicht gezeigt) kann enthalten sein, um von den Elektrodensubstraten 312, 332 Wasser zu entfernen, das sich anderweitig sammeln und möglicherweise die porösen Durchgänge blockieren kann.
In den 2A, 2B und 2C sind Blockschaubilder von Variationen des vorliegenden Systems gezeigt, die beide derart ausgebildet sind, um die Wasserstoff-Sauerstoff-Grenzfläche in der Brennstoffzelle 300 zu verringern. Ein Anodenströmungspfad 340 koppelt fluidmäßig die Brennstoffquelle 100A mit der Anode 310 durch ein Brennstofflieferventil 342. Die Sauerstoffquelle 100B ist fluidmäßig mit dem Kathodenströmungspfad 350 gekoppelt, so dass Sauerstoff an der Kathode 330 vorbeiströmen kann. Wie mit besonderem Bezug auf alle drei Figuren gezeigt ist, ist eine Umwälzschleife 352 in dem Kathodenströmungspfad 350 angeordnet, um ein Spülfluid (wie beispielsweise ein stickstoffreiches Gas), das durch die Reaktion des Wasserstoffs und Sauerstoffs gebildet wird, rückzuführen. Zusätzlich zur Unterstützung der Erzeugung des Spülfluids durch den Verbrauch von Sauerstoff unterstützt die Umwälzschleife 352 eine Gleichförmigkeit von Spannungen zwischen verschiedenen Zellen. Die Umwälzschleife 352 umfasst eine Druckquelle 360, einen Brenner 370, einen Sauerstoffsensor 380 und einen Kühler 390, die alle fluidmäßig gekoppelt sind, um einen wiederholten Durchgang verschiedener Fluide durch die Kathode 330 bei Betriebsübergängen zu unterstützen, so dass spezifische Arten durch eine geeignete Katalysierungs- oder Verbrennungsreaktion verringert werden können. Obwohl nur ein einzelner Kühler 390 (der in der Form eines Wärmetauschers vorgesehen sein kann) gezeigt ist, sei für Fachleute angemerkt, dass zusätzliche Kühler wie auch andere Orte für den Kühler 390 verwendet werden können. Durch Rückführung des Wasserstoffs, Sauerstoffs und erzeugten Spülfluids (gemeinsam das umgewälzte Fluid) mehrere Male durch den Kühler 390 wird ein kleinerer Temperaturanstieg erreicht, wodurch die Wärmelasten auf das System verringert werden. Ein Kathodenaustrittsventil 354 ist unterstromig der Kathode 330 angeordnet, um die Fluidströmung zwischen dem Austrag der Kathode 330 und der Umwälzschleife 352 zu steuern, während ein Kathodenströmungspfadrückführventil 356 eine selektive Einführung des umgewälzten Fluids oberstromig der Kathode 330 zulässt. Bevorzugt ist die Druckquelle 360 ein Luftkompressor. Die Sauerstoffquelle 100B muss bei Betriebsübergängen (wie beispielsweise beim Start oder Abschalten) nicht abgeschaltet werden, da die Tendenz besteht, dass keine zusätzliche Luft in die Umwälzschleife 352 strömt, wegen der Anwesenheit eines Totvolumens aufgrund dessen, dass das Kathodenaustrittsventil 354 geschlossen ist. Eine Fluidverbindung zwischen dem Anodenströmungspfad 340 und dem Kathodenströmungspfad 350 wird durch ein Brennstoffinertisierungsventil 344 und ein Spülventil 346 hergestellt, die unabhängig oder gemeinsam betätigt werden können, um die gewünschte Fluidströmung zwischen den Strömungspfaden 340, 350 zu erreichen.
Ein anderes Merkmal, das in das vorliegende System integriert werden kann, ist ein Brenner 370 (auch bekannt als eine Verbrennungseinrichtung), die in der Umwälzschleife 352 angeordnet ist, so dass überschüssiger Brennstoff verbrannt werden kann. Wenn die katalytische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff an der Kathode 330 weiterhin andauert, solange beide Reaktanden in der Umwälzschleife 352 vorhanden sind, kann der durch den Brenner 370 ermöglichte Verbrennungsprozess den Übergangsbetrieb des Systems durch schnelleren Verbrauch des Brennstoffs wie auch Verringerung der Wahrscheinlichkeit einer Kathodenüberhitzung beschleunigen. Zur weiteren Beschleunigung der Reaktion kann eine Vielzahl von Brennern anstatt eines einzelnen Brenners verwendet werden. Bevorzugt würden sowohl der Brenner 370 als auch die katalytische Reaktion an der Kathode 330 dazu verwendet, die besten Attribute von Geschwindigkeit und Vollständigkeit an Wasserstoffentfernung zu kombinieren. Bei einem zusätzlichen Merkmal könnte der Brenner 370 katalytische Elemente, die darin angeordnet sind, umfassen, um den Wasserstoff weiter mit dem Sauerstoff in der Luft zu reagieren. In diesem Fall könnten die Brennerelemente (nicht gezeigt) katalytisch beschichtet und elektrisch beheizt sein. Bei jeder Ausgestaltung ist die prompte und vollständige Entfernung der reagierbaren Arten nützlich, da sie einen schnellen Start erlaubt und die vorher erwähnten Überschussabschaltenergieniveaus minimiert, die ansonsten als Ergebnis der an der Anode gebildeten Wasserstoff-Luft-Grenzfläche erzeugt würden. Bei solchen Fällen können sich ohne das System der vorliegenden Erfindung Überspannungspotentiale entwickeln, die den Träger 314B angreifen.
Die Betriebszustände des Brennstoffzellensystems 1 umfassen zumindest einen ersten Betriebszustand, bei dem das System Elektrizität erzeugt, einen zweiten Betriebszustand, bei dem das System keine Elektrizität erzeugt, und einen dritten Betriebszustand, der zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszustand übergeht. Ein derartiger Übergangsbetrieb betrifft diejenigen Betriebsperioden, über die Änderungen in der Systemenergieabgabe auftreten. Zwei Zeitpunkte, bei denen ein derartiger Betrieb von besonderer Wichtigkeit für die vorliegende Erfindung ist, umfassen den Systemstart und die Systemabschaltung. Somit unterscheidet sich der Übergangsbetrieb gegenüber dem stationären Betrieb, bei dem die Systemabgabe im Wesentlichen konstant ist.
Mit besonderen Bezug auf die 2A und 2B startet die Abschaltabfolge des Brennstoffzellensystems 1 bevorzugt mit einem Schließen des Brennstofflieferventils 342, um die Strömung von Brennstoff zu der Anode 310 anzuhalten. Anschließend wird das Kathodenaustrittsventil 354 geschlossen, während das Kathodenströmungspfadrückführventil 356 geöffnet wird, um das Fluid, das die Kathode 330 verlässt, in die Umwälzschleife 352 zu drängen. Zusätzlich wird die Druckquelle 360 (wie beispielsweise ein Luftkompressor) betrieben, um die Fluidströmung durch die Umwälzschleife 352 zu unterstützen. Die Umwälzschleife 352 muss das Fluid durch den Brenner 370 oder die Kathode 330 bewegen können, so dass die Luft und der Brennstoff gemischt werden und an dem geeigneten Katalysator reagieren können. Das Brennstoffinertisierungsventil 344 kann während der Periode der Fluidumwälzung eingestellt werden, um die Einführung von Wasserstoff in das umgewälzte Fluid zu ermöglichen, wodurch es mit jeglichem Sauerstoff, der immer noch darin vorhanden ist, reagiert. Die Verringerung der Brennstoffzellenspannung (die durch herkömmliche Mittel gemessen werden kann) kann als eine Angabe dafür verwendet werden, dass die Kathode inertisiert ist. Ein Sauerstoffsensor 380 kann dazu verwendet werden, den Sauerstoff, der immer noch in der Umwälzschleife 352 vorhanden ist, zu verfolgen. Der Sauerstoffsensor 380 kann dazu verwendet werden, ein stöchiometrisches Verhältnis zwischen Wasserstoff und Sauerstoff in Situationen beizubehalten, in denen ein andauerndes Spülen, wie nachfolgend beschrieben ist, notwendig ist. Wie insbesondere untere Bezugnahme auf 2A gezeigt ist, kann die Reaktion an einem Katalysator in dem Brenner 370 erfolgen, wobei danach überschüssige Wärme, die in dem Fluid durch den Verbrennungsprozess erzeugt wird, vor einer Einführung in die Kathode 330 dadurch reduziert werden kann, dass das Fluid durch einen Wärmetauscher (in der Form eines Kühlers 390) geführt wird. Ein derartiger Kühler kann dahingehend im Doppelgebrauch stehen, dass er auch dazu verwendet werden kann, die den Luftkompressor verlassende Luft zu kühlen. Eine alternative Ausgestaltung, die in 2B gezeigt ist, erlaubt, dass die Reaktion an einem Katalysator an der Kathode 330 stattfindet. Diese Variante verkörpert eine einfachere Anordnung von Komponenten, wodurch möglicherweise der Bedarf nach einem separaten Brenner und einem zugeordneten Kühlmechanismus beseitigt wird.
Abhängig von der erforderlichen Geschwindigkeit der Reaktion können eine oder beide der Ausgestaltungen in Kombination verwendet werden. Bei jeder der obigen Ausgestaltungen wird, sobald der Sauerstoff in dem umgewälzten Fluid verbraucht ist, das Spülventil 346 geöffnet, um eine Fluidverbindung zwischen dem Anodenströmungspfad 340 und dem Kathodenströmungspfad 350 zu ermöglichen. Dies erlaubt, dass das (nun im Wesentlichen sauerstofffreie) Fluid, das bis zu diesem Zeitpunkt in der Umwälzschleife 352 mitgeführt worden ist, die Anode 310 von restlichem Brennstoff und anderen Fluiden spült. In Fällen, wenn das Fluid, das verwendet wird, um Sauerstoff an die Kathode zu liefern, Luft ist, sei angemerkt, dass, sobald der Sauerstoff im Wesentlichen entfernt ist, das verbleibende Fluid nahezu ausschließlich Stickstoff mit Spuren anderer Gase enthält. Da der Stickstoff inert ist, stellt seine Anwesenheit ein geeignetes gutartiges Fluid zum Spülen der Anode und Kathode sicher. Zusätzlich kann der Stickstoff selbst leicht nach Bedarf gespült werden. Bevorzugt wird das Spülfluid von dem Austritt der Kathode 330 abgezogen, um den Vorteil des gesamten Volumens der Kathode 330 zum Spülen zu nutzen. Während es allgemein der Fall ist, dass die Fluidkapazität der Kathode innerhalb einer Brennstoffzelle größer als die der Anode ist, können Umstände vorhanden sein, bei denen zusätzliches Spülfluid für die Anode erforderlich ist. In solchen Fällen kann die Strömung von Brennstoff in die Kathodenschleife 350 durch das Brennstoffinertisierungsventil 344 so eingestellt werden, dass ein im Wesentlichen stöchiometrisches Verhältnis zwischen dem Brennstoff und Sauerstoff in dem Kathodenströmungspfad 350 beibehalten werden kann. Ein rückkopplungsbasierter Controller (nicht gezeigt) kann enthalten sein und kann auf Grundlage von Signalen, die durch den Sauerstoffsensor 380 übertragen werden, dazu verwendet werden, das gewünschte Verhältnis von Brennstoff zu Sauerstoff in dem Fluid, das durch die Umwälzschleife 352 strömt, zu halten. Die gemessene Brennstoffzellenspannung kann auch dazu verwendet werden, um zu signalisieren, wann das Verhältnis von Brennstoff zu Luft von einem bevorzugten Wert abweicht, und kann dazu verwendet werden, das Verhältnis einzustellen, wobei es innerhalb eines gewünschten Bereiches gehalten wird, da die Brennstoffzellenspannung unter Bedingungen von überschüssiger Luft zunehmen würde. Sobald der Wasserstoff von der Anode 310 gespült worden ist, kann sie dann mit Luft (oder gegebenenfalls anderen Fluiden) gespült werden. In dieser Situation ist das Brennstoffinertisierungsventil 344 geschlossen, wodurch erlaubt wird, das Fluid in der Umwälzschleife 352, das durch die Druckquelle 360 unter Druck gesetzt worden ist, in die Anode 310 durch das Spülventil 346 strömt. Dieser letzte Schritt stellt sicher, dass Luft an sowohl der Anode 310 als Kathode 330 in Zeitperioden einer Inaktivität der Brennstoffzelle 300 vorhanden ist.
Die Startabfolge des Brennstoffzellensystems 1 würde ein Schließen des Kathodenaustrittsventils 354 betreffen, während das Kathodenströmungspfadrückführventil 356 geöffnet ist, um das Fluid, das die Kathode 330 verlässt, in die Umwälzschleife 352 zu drängen. Wie bei der vorher erwähnten Abschaltabfolge wird die Druckquelle 360 betätigt, um die Fluidströmung durch die Umwälzschleife 352 zu unterstützen. Das Brennstoffinertisierungsventil 344 kann während der Periode der Fluidumwälzung eingestellt werden, um das Einführen von Wasserstoff in das umgewälzte Fluid zuzulassen, wodurch er mit jeglichem Sauerstoff, der immer noch darin vorhanden ist, reagiert. Wie zuvor können die Reaktionen in den Vorrichtungen von jeder der Ausführungsformen, die in den 2A und 2B gezeigt sind, an einem Katalysator in dem Brenner 370, an der Kathode 330 oder an beiden stattfinden. Das Spülventil 346 wird geöffnet, um eine Fluidverbindung zwischen dem Anodenströmungspfad 340 und dem Kathodenströmungspfad 350 zuzulassen. Dies erlaubt, dass das (nun im Wesentlichen sauerstofffreie) Fluid, das bis zu diesem Zeitpunkt in der Umwälzschleife 352 mitgeführt worden ist, die Anode 310 von restlicher Luft und anderen Fluiden spült. Bevorzugt wird das Spülfluid von dem Austritt der Kathode 330 abgezogen, um den Vorteil des gesamten Volumens der Kathode 330 zum Spülen zu nutzen. Wie zuvor kann die Strömung von Brennstoff in die Kathodenschleife 350 durch das Brennstoffinertisierungsventil 344 so eingestellt werden, dass ein im Wesentlichen stöchiometrisches Verhältnis zwischen dem Brennstoff und Sauerstoff in dem Kathodenströmungspfad 350 beibehalten werden kann. Ein rückkopplungsbasierter Controller (nicht gezeigt) kann enthalten sein und kann auf Grundlage von Signalen, die durch den Sauerstoffsensor 380 übertragen werden, dazu verwendet werden, das gewünschte Verhältnis von Brennstoff zu Sauerstoff in dem durch die Umwälzschleife 352 strömenden Fluid zu halten. Sobald der Sauerstoff von der Anode 310 gespült worden ist, kann die Anode 310 dann mit Wasserstoff gefüllt werden, um einen Normalbetrieb zu beginnen. Zu diesem Zeitpunkt (wenn nicht vorher) wird das Brennstoffinertisierungsventil 344 und das Spülventil 346 geschlossen, während das Brennstofflieferventil 342 geöffnet wird. Im Normalbetrieb kann die Strömung von Brennstoff auf eine Weise eingestellt werden, die ähnlich zu der ist, die oben beschrieben wurde, einschließlich der Verwendung eines Controllers. Luft kann in die Anode 310 durch Öffnen des Spülventils 346 abgelassen werden. Ähnlicherweise kann Wasserstoff in die Kathode 330 durch Öffnen des Brennstoffinertisierungsventils 344 abgelassen werden, wodurch eine zusätzliche Erwärmung vorgesehen wird, um einen Start zu unterstützen, wenn die Brennstoffzelle 300 Niedertemperaturumgebungen ausgesetzt ist.
Wie unter besonderer Bezugnahme auf 2C gezeigt ist, unterscheidet sich die Abschaltabfolge des Brennstoffzellensystems 1 geringfügig gegenüber der, die in Verbindung mit den 2A und 2B oben beschrieben ist. Während das Abschalten aller drei Ausgestaltungen mit einem Schließen des Brennstofflieferventils 342 beginnt, um die Strömung von Brennstoff zu der Anode 310 anzuhalten, gefolgt durch eine Umwälzung der Kathodenströmungspfadgase durch Schließen des Kathodenaustrittsventils 354, während das Kathodenströmungspfadrückführventil 356 geöffnet wird, dann Verbrauch des überschüssigen Sauerstoffs in der Umwälzschleife 352, ermöglichen Merkmale, die der Ausgestaltung von 2C eigen sind, Variationen in der Weise, wie die Brennstoffzelle 300 abgeschaltet werden kann. Beispielsweise erlaubt die Anordnung des Spülventils 346 oberstromig der Kathode 330, wie in der Figur gezeigt ist (bei richtiger Betätigung der Ventile, die den Anodenströmungspfad 340 und den Kathodenströmungspfad 350 miteinander verbinden) die Einführung von Luft in die Anode 310 als ein Spülfluid, das nicht durch die Kathode 330 geführt werden muss. Dies kann vorteilhaft sein, da die Luft lediglich durch den Kompressor 360 gepumpt wird und (im Gegensatz zu dem inertisierenden Fluid, das durch Reaktion von Brennstoff und Luft in dem Brenner 370 oder der Kathode 330 erzeugt wird) nicht reagiert werden muss, der Betrieb wird vereinfacht, da der Brennstoffverbrauch, der ansonsten für die Reaktion nötig ist, verringert wird, und keine Überwachung und Rückkopplung des Controllers 380 unternommen werden muss. Das Grundprinzip für einen derartigen Systembetrieb basiert auf der Annahme, dass die Verringerung der Brennstoffzellenspannung als Ergebnis der Inertisierung der Kathode 330 (wie nachfolgend in Verbindung mit 4 detaillierter beschrieben ist) erlaubt, dass die Anode 310 mit Luft ohne Erzeugung hoher Elektrodenpotentiale gespült werden kann, die aus einer normalen Leerlaufspannung auftreten, wenn die Anode 310 mit Luft gespült wird. Es sei zu verstehen, dass das Inertisieren der Kathode 330 umfasst, dass ausreichend Wasserstoff in die Kathode 330 gelassen wird, um auch jeglichen Sauerstoff zu reagieren, der an dem Katalysator der Kathode 330 adsorbiert ist. Sobald die gemessene Spannung zwischen den Platten der Anode 310 und der Kathode 330 unter einen vorbestimmten Pegel (beispielsweise 0,4 Volt) abfällt, ist keine zusätzliche Inertisierung erforderlich. Demgemäß ist es die verringerte Abhängigkeit von der Inertisierungsfluiderzeugung und -verteilung, die das in 2C gezeigte System von den anderen beiden unterscheidet. Diesbezüglich kann das Brennstoffinertisierungsventil von 2C abgeschaltet werden, sobald das Fluid, das in der Umwälzschleife 352 erzeugt wird, die gemessene Spannung auf den gewünschten Pegel verringert, der allgemein mit der Anwesenheit eines im Wesentlichen sauerstoffabgereicherten inertisierenden Fluides übereinstimmt. Es sei angemerkt, dass, obwohl die Verwendung des inertisierenden Fluides in dem System von 2C verringert ist, dieses nicht in seiner Gesamtheit beseitigt ist, da es immer noch bei der Verringerung der Leerlaufspannung durch Verdrängen von Sauerstoff von der Kathode 330 bei dem Umwälzprozess auf eine Weise nützlich ist, die ähnlich zu der der 2A und 2B ist.
Ähnlich der Abschaltabfolge des Brennstoffzellensystems 1, das in dem vorhergehenden Absatz beschrieben ist, erlaubt die Startabfolge des Systems von 2C das Einführen von Luftspülung ohne fortgesetzten Bedarf nach inertisierendem Fluid. Es existieren Ähnlichkeiten unter den drei gezeigten Systemen, wobei bei allen drei Ausgestaltungen das in dem Kathodenströmungspfad 350 angeordnete Fluid durch die Umwälzschleife 352 rückgeführt wird, nachdem Brennstoff in das rückgeführte Fluid eingeführt ist und mit diesem reagiert hat, bis das rückgeführte Fluid im Wesentlichen sauerstoffabgereichert ist. Überdies können alle drei Systeme eine negative Zellenspannung als Ergebnis der Brennstoff- (Wasserstoff-) Anwesenheit in der Kathode 330 gleichzeitig mit Sauerstoff, der in der Anode 310 vorhanden ist (beispielsweise aufgrund des vorher erwähnten Abschaltschritts übrig gelassen), in einer Zeit aufweisen, während der der Sauerstoffverbrauch in der Umwälzschleife 352 stattfindet. Wie vorher beschrieben wurde, erleichtert die Anordnung des Spülventils 346 oberstromig der Kathode 330 die Einfachheit der Luftspülung, wobei nach einem Füllen der Anode 310 mit Brennstoff ein Normalbetrieb des Systems von 2C durch Einführen von Luft in die Kathode 330 begonnen werden kann, so dass der Brennstoff in der Anode 310 die Membran 320 in die Kathode 330 durchqueren kann, um die Reaktion mit dem darin angeordneten Sauerstoff zu vervollständigen.
Als nächstes ist in 3 in Verbindung mit 1 ein Fahrzeug gezeigt, das ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.
Die Brennstoffzelle 300 ist fluidmäßig mit einer Brennstoffversorgung 100A gekoppelt. Während das Fahrzeug grundsätzlich als ein Auto gezeigt ist, sei für Fachleute angemerkt, dass die Verwendung von Brennstoffzellensystemen in anderen Fahrzeugformen ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt.
In 4 ist eine Darstellung gezeigt, wie die Spannung über die Brennstoffzelle bei Übergangsbedingungen, wie dem Start oder dem Abschalten variiert. Wenn Änderungen in dem Betriebszustand der Brennstoffzelle 300 auftreten, ändert sich die Zusammensetzung der Fluide in der Anode 310 und der Kathode 330. Beispielsweise besitzt im stationären Betrieb die Anode 310 einen relativ konstanten Brennstoffstrom (typischerweise in der Form von Wasserstoff), der durch diese strömt, während die Kathode 330 einen relativ konstanten Strom von Sauerstoff (typischerweise in der Form von Luft) aufweist, der durch diese strömt. Im Übergangsbetrieb, wie beispielsweise beim Übergang vom stationären Zustand zur Abschaltung, wird der bereits in der Anode 310 vorhandene Wasserstoff weiterhin verbraucht, da der Wasserstoff in Protonen und Elektronen umgewandelt wird. Dieser Wasserstoffverbrauch erzeugt eine Umgebung mit dünnem Gas, die durch eintretende Luft (stammend beispielsweise aus einer offenen Anodenaustragsleitung) gefüllt wird, was zu der Erzeugung einer Front (oder Wasserstoff-Luft-Grenzfläche) führt, die ein Elektrodenpotential oberhalb der gemessenen elektrischen Spannung erzeugt. Der Anteil der Brennstoffzelle 300 links von der Front kann unter normaler Leerlaufspannung ein gemessenes elektrisches Potential zwischen der Anode 310 und Kathode 330 von etwa 0,9 Volt zeigen, während der Anteil der Brennstoffzelle 300 rechts von der Front ein elektrisches Potential von etwa 1,7 Volt aufweisen kann (umfassend sowohl die gemessene Leerlaufspannung von 0,9 Volt plus einem negativen elektrochemischen Potentialabfall mit umgekehrter Polarität von 0,8 Volt in der Membran 320 aufgrund einer schlechten Protonenleitung in der Ebene zu dem Gebiet rechts von der Front). Unter diesen erhöhten Potentialen erfährt der Anteil der Brennstoffzelle 300 rechts von der Front eine Verringerung des verfügbaren Wasserstoffs und greift folglich auf eine Oxidierung des Kohlenstoffs an den Elektroden für seine Brennstoffquelle zurück. Durch Betrieb des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung, um eine verringerte gemessene Spannung von 0,4 Volt zu erzeugen, kann die Potentialdifferenz von Elektrolyt zu Elektrode von etwa 1,7 Volt auf etwa 1,2 Volt verringert werden (d.h. die gemessenen 0,4 Volt der Spannung der Anode 310 zu der Kathode 330 und einen elektrochemischen Potentialabfall von –0,8 V).
Unter Verwendung der beispielhaften Spannungen oben würde die Leerlaufspannung, die an verschiedenen Orten links von der Front ohne Verwendung der Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung gemessen ist, 0 Volt an der Anode 310, 0 Volt an der Membran 320 und 0,9 Volt an der Kathode 330 (für eine Nettospannung von 0,9 Volt) erzeugen. Dasselbe rechts von der Front würde 0 Volt an der Anode 310, –0,8 Volt an der Membran 320 und 0,9 Volt an der Kathode 330 für eine Nettospannung von 1,7 Volt zeigen (was genug ist, um die vorher erwähnte Kohlenstoffoxidation zu bewirken). Die an verschiedenen Orten links von der Front nach Verwendung der Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung gemessene Leerlaufspannung würde 0 Volt an der Anode 310, 0 Volt an der Membran 320 und 0,4 Volt an der Kathode 330 (für eine Nettospannung von 0,4 Volt) erzeugen. Ähnlicherweise würde dasselbe rechts von der Front 0 Volt an der Anode 310, -0,8 Volt an der Membran 320 und 0,4 Volt an der Kathode 330 für eine Nettospannung von 1,2 Volt zeigen (was das Ausmaß der Kohlenstoffoxidation bezüglich der vorhergehenden Vorgehensweise stark verringern würde).
Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Details zu Zwecken der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt worden sind, ist es für Fachleute offensichtlich, dass verschiedene Änderungen ohne Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung durchgeführt werden können, der in den angefügten Ansprüchen definiert ist.
Zusammenfassung
Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems. Eine Umwälzschleife, die mit einer Brennstoffzellenkathode gekoppelt ist, stellt sicher, dass Fluide, die durch die Kathode strömen, rückgeführt werden, wodurch eine Reaktion zwischen restlichem Sauerstoff in dem rückgeführten Fluid und Brennstoff erlaubt wird, der in die Umwälzschleife eingeführt worden ist, bis ein verringerter Spannungspegel über die Brennstoffzelle erreicht ist. Das Erzielen des verringerten Spannungspegels gibt an, dass das rückgeführte Fluid im Wesentlichen sauerstofffrei ist, wodurch ein inertisierendes Fluid erzielt wird. Anschließend kann diese Verbindung gefolgt durch Luft oder Luft direkt dazu verwendet werden, die Anode der Brennstoffzelle und den zugeordneten Strömungspfad bei einer Systemabschaltung zu spülen. Ähnlicherweise kann beim Systemstart anschließend Wasserstoff in die Anode der Brennstoffzelle und dann Luft in die Kathode und den zugeordneten Strömungspfad für einen Normalbetrieb eingeführt werden. Die Anordnung eines Spülventils erlaubt, dass die Anode mit Luft gespült wird, ohne dass Luft in die Kathode wieder eingeführt wird.

Claims

Verfahren zum Abschalten eines in Betrieb befindlichen Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren umfasst, dass: das System ausgebildet wird, damit es umfasst: zumindest eine Brennstoffzelle, die eine Anode, eine Kathode und eine Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, umfasst, einen Anodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Anode mit einer Brennstoffquelle zu koppeln; einen Kathodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Kathode mit einer Sauerstoffquelle zu koppeln, wobei der Kathodenströmungspfad eine darin angeordnete Umwälzschleife umfasst; und ein Spülventil, das fluidmäßig mit der Anode gekoppelt ist; die Anode von der Brennstoffquelle entkoppelt wird; Fluid, das in dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist, durch die Umwälzschleife rückgeführt wird; Brennstoff von der Brennstoffquelle in die Umwälzschleife eingeführt wird; Brennstoff mit dem rückgeführten Fluid reagiert wird, bis eine Spannung, die über die Brennstoffzelle gemessen ist, einen vorbestimmten Pegel erreicht; die Brennstoffquelle von der Umwälzschleife entkoppelt wird, um eine Strömung des Brennstoffs zu dieser zu unterbrechen; und Spülfluid in die Anode durch das Spülventil derart eingeführt wird, dass jegliches Fluid, das vorher in der Anode vorhanden war, im Wesentlichen von diesem gespült wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Spülfluid von dem Kathodenströmungspfad oberstromig der Kathode und unterstromig der Sauerstoffquelle umgelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Spülfluid von dem Kathodenströmungspfad unterstromig der Kathode und oberstromig eines Kathodenaustrittsventils umgelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Spülfluid ein im Wesentlichen sauerstoffabgereichertes Fluid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Spülfluid das im Wesentlichen sauerstoffabgereicherte Fluid, das von zumindest einem Abschnitt des Kathodenströmungspfads eingeführt wird, gefolgt durch Luft umfasst, die von der Sauerstoffquelle eingeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Rückführen ferner umfasst, dass ein Kathodenaustrittsventil geschlossen wird und ein Kathodenströmungspfadrückführventil geöffnet wird, die beide in der Umwälzschleife angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Spülventil fluidmäßig mit dem Kathodenströmungspfad oberstromig der Kathode gekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einführen des Spülfluids durch Schließen eines Brennstoffinertisierungsventils und Öffnens des Spülventils bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Spannungspegel über die Brennstoffzelle nicht größer als 0,4 Volt beträgt.
Verfahren zum Abschalten eines in Betrieb befindlichen Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren umfasst, dass: das System ausgebildet wird, damit es umfasst: zumindest eine Brennstoffzelle, die eine Anode, eine Kathode und eine Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, umfasst; einen Anodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Anode mit einer Brennstoffquelle zu koppeln; einen Kathodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Kathode mit einer Luftquelle zu koppeln, wobei der Kathodenströmungspfad eine darin angeordnete Umwälzschleife umfasst; eine Vielzahl von Ventilen, mit: zumindest einem Ventil, das in der Umwälzschleife angeordnet ist, um selektiv eine Umwälzung von Fluid durch diese zuzulassen; einem Spülventil, das den Kathodenströmungspfad oberstromig der Kathode fluidmäßig mit dem Anodenströmungspfad koppelt; einem Brennstoffinertisierungsventil, das derart ausgebildet ist, dass es den Kathodenströmungspfad mit der Brennstoffzelle koppelt; und einem Brennstofflieferventil, das fluidmäßig in dem Anodenströmungspfad angeordnet ist; eine Druckquelle, die mit der Luftquelle gekoppelt ist; und eine Vorrichtung, die derart ausgebildet ist, um eine Reaktion zwischen Brennstoff und Luft zu erleichtern; die Anode von der Brennstoffquelle entkoppelt wird; Fluid, das in dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist, durch die Umwälzschleife rückgeführt wird; Brennstoff von der Brennstoffquelle in die Umwälzschleife eingeführt wird; der Brennstoff mit dem rückgeführten Fluid reagiert wird, bis eine über die Brennstoffzelle gemessene Spannung einen vorbestimmten Pegel erreicht; die Brennstoffquelle von der Umwälzschleife entkoppelt wird, um eine Strömung des Brennstoffs zu dieser zu unterbrechen; und ein im Wesentlichen sauerstoffabgereichertes Fluid von zumindest einem Abschnitt der Umwälzschleife und Luft von der Luftquelle in die Anode durch das Spülventil sequentiell eingeführt werden, so dass jegliches Fluid, das vorher in der Anode vorhanden war, im Wesentlichen von diesem gespült wird.
Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems, wobei das System umfasst, dass: das System ausgebildet wird, damit es umfasst: zumindest eine Brennstoffzelle, die eine Anode, eine Kathode und eine Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, umfasst; einen Anodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Anode mit einer Brennstoffquelle zu koppeln; einen Kathodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Kathode mit einer Sauerstoffquelle zu koppeln, wobei der Kathodenströmungspfad eine darin angeordnete Umwälzschleife umfasst; und ein Spülventil, das fluidmäßig mit der Anode gekoppelt ist; Fluid, das in dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist, durch die Umwälzschleife rückgeführt wird; der Brennstoff in die Umwälzschleife rückgeführt wird; der Brennstoff mit dem rückgeführten Fluid in der Vorrichtung reagiert wird, bis eine über die Brennstoffzelle gemessene Spannung einen vorbestimmten Pegel erreicht; die Brennstoffquelle von der Umwälzschleife entkoppelt wird, um eine Strömung des Brennstoffs zu dieser zu unterbrechen; die Anode mit Brennstoff gefüllt wird; und Luft in die Kathode eingeführt wird, um ein im Wesentlichen sauerstoffabgereichertes Fluid, das während der Reaktion erzeugt wird, zu verdrängen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Anwesenheit des im Wesentlichen sauerstoffabgereicherten Fluids eine negative Spannung über die zumindest eine Brennstoffzelle vor dem Füllen der Anode mit Brennstoff bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend, dass Fluid von der Sauerstoffquelle in die Anode abgelassen wird, um einen Start bei niedriger Temperatur zu erleichtern.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend, dass Brennstoff von der Brennstoffquelle in die Kathode abgelassen wird, um einen Start bei niedriger Temperatur zu erleichtern.
Vorrichtung, umfassend: zumindest eine Brennstoffzelle, die eine Anode, eine Kathode und eine Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, umfasst; einen Anodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Anode mit einer Brennstoffquelle zu koppeln; einen Kathodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Kathode mit einer Sauerstoffquelle zu koppeln, wobei der Kathodenströmungspfad eine darin angeordnete Umwälzschleife umfasst; eine Vielzahl von Ventilen, von denen zumindest einige derart ausgebildet sind, um eine Fluidverbindung zwischen dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad herzustellen, wobei die Vielzahl von Ventilen umfasst: ein Brennstofflieferventil, das zwischen der Brennstoffquelle und der Anode angeordnet ist; zumindest ein Ventil, das in der Umwälzschleife angeordnet ist, um selektiv eine Rückführung des Fluids durch diese zuzulassen; ein Brennstoffinertisierungsventil, das zwischen dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist, um eine selektive Einführung von Brennstoff in den Kathodenströmungspfad zuzulassen; ein Spülventil, das zwischen dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist, wobei das Spülventil oberstromig der Kathode angeordnet ist; und einen Reaktor, der in dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist, wobei der Reaktor derart ausgebildet ist, um eine Reaktion zwischen Brennstoff und Sauerstoff derart zu unterstützen, dass bei einem Übergangsbetrieb der Brennstoffzelle der Reaktor Brennstoff und Fluid kombiniert, das durch die Umwälzschleife rückgeführt wird, um eine Spannung über die Brennstoffzelle zu verringern, wodurch ermöglicht wird, dass Luft und/oder das rückgeführte Fluid die Anode oder die Kathode spült.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Vorrichtung ferner einen Energieumwandlungsmechanismus umfasst, der derart ausgebildet ist, um Elektrizität, die durch das Brennstoffzellensystem erzeugt wird, aufzunehmen und diese in Antriebsenergie umzuwandeln.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Vorrichtung ferner ein Fahrzeug umfasst, das derart ausgebildet ist, um das Brennstoffzellensystem und den Energieumwandlungsmechanismus aufzunehmen, wobei das Fahrzeug auf die Antriebsenergie, die von dem Energieumwandlungsmechanismus erzeugt ist, mit Bewegung anspricht.
Verfahren für einen Übergangsbetrieb eines Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren umfasst, dass: das System ausgebildet wird, damit es umfasst: zumindest eine Brennstoffzelle, die eine Anode, eine Kathode und eine Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, umfasst; einen Anodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Anode mit einer Brennstoffquelle zu koppeln; einen Kathodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Kathode mit einer Sauerstoffquelle zu koppeln, wobei der Kathodenströmungspfad eine darin angeordnete Umwälzschleife umfasst; einen Anodenspülströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Umwälzschleife mit der Anode selektiv zu koppeln; aus einer von zwei Übergangsbetriebsarten gewählt wird, wobei die erste Betriebsart einen Start des Systems umfasst und die zweite Betriebsart ein Abschalten des Systems umfasst; Fluid, das in dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist, durch die Umwälzschleife rückgeführt wird, Brennstoff mit dem rückgeführten Fluid reagiert wird, bis eine Spannung, die über die Brennstoffzelle gemessen wird, einen vorbestimmten Pegel erreicht; die Reaktion unterbrochen wird; und ein Fluid in die Anode und/oder die Kathode eingeführt wird, so dass jegliches Fluid, das darin vorher vorhanden war, im Wesentlichen von diesem gespült wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Anodenspülströmungspfad ein Spülventil umfasst, das darin angeordnet ist, um die selektive Kopplung zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Auswählen umfasst, dass die erste Betriebsart gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, ferner umfassend, dass die Anode mit Brennstoff gefüllt wird, nachdem die Reaktion unterbrochen worden ist.
Verfahren nach Anspruch 21, ferner umfassend, dass Luft durch die Kathode strömt, sobald die Anode mit Brennstoff gefüllt worden ist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Strömen der Luft durch die Kathode eine Deaktivierung der Umwälzschleife umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Auswählen umfasst, dass die zweite Betriebsart ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Einführen eines Fluids in die Anode und/oder die Kathode umfasst, dass in die Anode ein im Wesentlichen sauerstoffabgereichertes Fluid von zumindest einem Abschnitt des Kathodenströmungspfads gefolgt durch Luft von der Sauerstoffquelle sequentiell eingeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 25, ferner umfassend, dass die Anode von der Brennstoffquelle entkoppelt wird, bevor Fluid, das in dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist, durch die Umwälzschleife rückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, ferner umfassend, dass eine Fluidströmung durch den Kathodenströmungspfad gestoppt wird, sobald die Anode im Wesentlichen gespült ist.