DE112004001726T5

DE112004001726T5 - Brennstoffzellenabschaltung und -start unter Verwendung einer Kathodenrückführschleife

Info

Publication number: DE112004001726T5
Application number: DE112004001726T
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: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2024-06-26
Also published as: WO2005036682A1; CN1853299B; CN1853298A; US20050221148A1; DE112004001726B4; JP2007506243A; US7691508B2; JP4926708B2; US20050058859A1; CN100468841C; CN1853305A; CN1853299A; US6939633B2

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren umfasst, dass:
das System derart ausgebildet wird, dass es umfasst:
zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einer Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist;
einen Anodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Anode mit einer Brennstoffquelle zu koppeln; und
einen Kathodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Kathode mit einer Sauerstoffquelle zu koppeln,
wobei der Kathodenströmungspfad eine darin angeordnete Umwälzschleife umfasst;
die Anode von der Brennstoffquelle entkoppelt wird;
Fluid, das in dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist, durch die Umwälzschleife rückgeführt wird;
Brennstoff in die Umwäzschleife eingeführt wird;
der Brennstoff mit dem rückgeführten Fluid reagiert wird, bis das rückgeführte Fluid im Wesentlichen sauerstoffabgereichert wird; und
das im Wesentlichen sauerstoffabgereicherte Fluid in den Anodenströmungspfad eingeführt wird, so dass jegliches Fluid, das vorher darin vorhanden war, im Wesentlichen von diesem...

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 Betrieb 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, und einem Kathodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Kathode mit einer Sauerstoffquelle zu koppeln. 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, Pumpen und zugeordnete Baugruppen können, während sie auch Teil des Strömungspfades bilden, einzeln diskutiert werden, um ihre Funktion in ihrem jeweiligen 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 Betrieb des vorliegenden Systems 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 das rückgeführte Fluid im Wesentlichen sauerstoffabgereichert wird, und anschließend Einführen des im wesentlichen sauerstoffabgereicherten Fluids 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.
Optional umfasst das Verfahren den Schritt, dass eine Druckquelle mit der Brennstoff- und/oder Sauerstoffquelle fluidmäßig gekoppelt wird. Eine derartige Druckquelle (beispielsweise ein Luftkompressor) kann dazu verwendet werden, ein in der Umwälzschleife enthaltenes Fluid unter Druck zu setzen. Der Rückführschritt kann ferner umfassen, dass ein Kathodenaustrittsventil geschlossen wird und ein Kathodenströmungs pfadrückführventil geöffnet wird, wobei beide Ventile in der Umwälzschleife angeordnet sind. Bei einer Form kann der Schritt zum Einführen des im Wesentlichen sauerstoffabgereicherten Gases in den Anodenströmungspfad umfassen, dass ein Spülventil geöffnet wird, das den Kathodenströmungspfad mit dem Anodenströmungspfad fluidmäßig koppelt. Bevorzugt (obwohl es nicht notwendig ist) ist das Spülventil zwischen der Kathode und dem Kathodenaustrittsventil angeordnet. Der Schritt zum Einführen von Brennstoff in die Umwälzschleife kann umfassen, dass ein Brennstoffinertisierungsventil eingestellt wird, das den Anodenströmungspfad mit dem Kathodenströmungspfad fluidmäßig koppelt. Zusammen mit dem vorher erwähnten Spülventil sieht dieses Ventil eine direkte Brücke zwischen den beiden Strömungspfaden vor.
Das System kann zumindest einen ersten Betriebszustand, bei dem das System Elektrizität erzeugt, einen zweiten Betriebszustand, bei dem das System keine Elektrizität erzeugt, und einen dritten Betriebszustand definieren, der zwischen dem ersten und zweiten Betriebszustand übergeht. Ein derartiger Übergangsbetrieb betrifft diejenigen Betriebsperioden, über die Änderungen in der Systemleistungsabgabe auftreten. Dass ein derartiger Betrieb von besonderer Wichtigkeit für die vorliegende Erfindung ist, kommt zweimal vor, nämlich während des Systemstarts und der Systemabschaltung. Somit unterscheidet sich der Übergangsbetrieb gegenüber dem stationären Betrieb, bei dem die Systemabgabe im Wesentlichen konstant ist. Bei einer Betriebsart bilden die Entkopplungs-, Rückführ-, Reaktions- und beide Einführschritte den dritten Betriebszustand. Ein zusätzlicher Schritt umfasst, dass der Anodenströmungspfad mit Brennstoff gefüllt wird, sobald das im Wesentlichen sauerstoffabgereicherte Fluid den Anodenströmungspfad im Wesentlichen gespült hat. In diesem Fall ist das System bereit für einen Normalbetrieb (wie beispielsweise dem, der dem vorher erwähnten ersten Betriebszustand zugeordnet ist).
Ein Weg, um diesen letzten Schritt zu beeinflussen, besteht darin, den Anodenströmungspfad von dem Kathodenströmungspfad fluidmäßig abzutrennen und die Brennstoffquelle fluidmäßig mit der Anode zu koppeln. Beispielsweise umfasst das fluidmäßige Abtrennen des Anodenströmungspfades von dem Kathodenströmungspfad ein Schließen des vorher beschriebenen Spülfluids. Der Schritt zum fluidmäßigen Abtrennen des Anodenströmungspfads von dem Kathodenströmungspfad kann dadurch erreicht werden, dass das vorher beschriebene Brennstoffinertisierungsventil geschlossen wird. Der Schritt zum fluidmäßigen Koppeln der Brennstoffquelle mit der Anode kann dadurch ausgeführt werden, dass das in dem Anodenströmungspfad angeordnete Brennstofflieferventil geöffnet wird. Die Brennstoffströmung kann eingestellt werden, bis das System normal in seinem ersten Betriebszustand arbeitet. Eine andere Option umfasst, dass Fluid von der Sauerstoffquelle in die Anode während einer Periode vor einem Normalbetrieb abgelassen wird, wodurch eine zusätzliche Erwärmung vorgesehen wird, die das System unterstützt, schneller optimale Betriebstemperaturen (beispielsweise zwischen 60°C und 80°C) beim Start bei Niedertemperaturumgebungen zu erreichen. Dieser Ablassschritt kann ein Öffnen des Spülventils umfassen. Ähnlicherweise kann Brennstoff von der Brennstoffquelle in die Kathode in einer vergleichbaren Periode abgelassen werden, um ebenfalls einen Niedertemperaturstart zu unterstützen. Um dies zu erreichen, wird das Brennstoffinertisierungsventil geöffnet.
Ein anderer optionaler Schritt betrifft das Regulieren der Kraftstoffmenge, die in den Kathodenströmungspfad eingeführt wird, um ein im Wesentlichen stöchiometrisches Verhältnis zwischen dem Brennstoff und dem Sauerstoff, der in dem umgewälzten Fluid vorhanden ist, für die Dauer des Spülschritts beizubehalten. Beispielsweise kann die Menge des Sauerstoffs, die in dem umgewälzten Fluid vorhanden ist, so erfasst werden, dass das Brennstoffinertisierungsventil um einen Betrag eingestellt werden kann, der notwendig ist, um das im Wesentlichen stöchiometrische Verhältnis beizubehalten. Ein Controller kann in dem System enthalten sein, so dass das Ansprechen auf das erfasste Sauerstoffniveau automatisch ausgeführt werden kann, wie beispielsweise durch automatische Betätigung von einem oder mehreren der vorher erwähnten Ventile. Bezüglich der Reaktanden ist es bevorzugt, dass der Brennstoff wasserstoffreich ist, von denen Beispiele Methanol, Wasserstoff, Methan (wie aus beispielsweise Erdgas) und Benzin sind. In den Fällen, wenn der Brennstoff von der Brennstoffquelle nicht im Wesentlichen reiner Wasserstoff ist, kann ein Brennstoffverarbeitungssystem (wie beispielsweise ein Methanolreformer oder ein anderer derartiger Reaktor, die für Fachleute bekannt sind) verwendet werden, um im Wesentlichen reinen Wasserstoff an die Brennstoffzelle zu liefern. Eine bevorzugte Quelle für Sauerstoff ist Luft. Bevorzugt erfolgt der Reaktionsschritt in einem Brenner, der fluidmäßig mit dem Kathodenströmungspfad gekoppelt ist, und/oder einem Katalysator, der an der Kathode angeordnet ist. Ein zusätzlicher Schritt kann ein Kühlen der Produkte sein, die bei dem Reaktionsschritt erzeugt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass ein Kühler zwischen dem Brenner und der Brennstoffzelle angeordnet wird. Der Schritt zum Einführen des im Wesentlichen sauerstoffabgereicherten Fluids in den Anodenströmungspfad kann ein fluidmäßiges Koppeln des Kathodenströmungspfades unterstromig der Kathode mit einer Einlassstelle in der Anode umfassen. Ein noch weiterer zusätzlicher Schritt kann ein Füllen des Anodenströmungspfades mit Luft umfassen, sobald der vorher vorhandene Brennstoff im Wesentlichen entfernt worden ist. Der Schritt zum Füllen des Anodenströmungspfades mit Luft kann durch Schließen des Brennstoffinertisierungsventils und Öffnen des Spülventils ausgeführt werden. Zusätzlich kann der Schritt zum Entkoppeln der Anode von der Brennstoffquelle durch Schließen eines Brennstofflieferventils erreicht werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Vorbereiten eines Brennstoffzellensystems für einen Start offenbart. Wie zuvor umfasst das Brennstoffzellensystem 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, und einem Kathodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Kathode mit einer Sauerstoffquelle zu koppeln. Zusätzlich umfasst sie eine Vielzahl von Ventilen, die derart ausgebildet sind, um eine Fluidverbindung zwischen dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad herzustellen. Die Schritte, die bei dem vorliegenden Verfahren betroffen sind, umfassen ein Einführen von Brennstoff von der Brennstoffquelle in den Kathodenströmungspfad, 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 das rückgeführte Fluid im Wesentlichen sauerstoffabgereichert wird, und ein Einführen des im Wesentlichen sauerstoffabgereicherten Fluides in den Anodenströmungspfad, so dass jegliches Fluid, das vorher darin vorhanden war, im Wesentlichen von diesem gespült wird.
Optional dazu umfasst der Schritt zum Einführen des im Wesentlichen sauerstoffabgereicherten Fluides ein Öffnen eines (vorher beschriebenen) Spülventils, das den Anodenströmungspfad fluidmäßig mit dem Kathodenströmungspfad koppelt, und anschließend ein Öffnen eines (vorher beschriebenen) Brennstofflieferventils, das die Brennstoffquelle fluidmäßig mit der Anode koppelt. Zusätzlich kann Fluid von der Sauerstoffquelle in die Anode abgelassen werden, um einen Niedertemperaturstart zu erleichtern. Der Schritt zum Ablassen von Luft in die Anode kann ein Öffnen des Spülventils umfassen, das zwischen dem Kathodenströmungspfad und dem Anodenströmungspfad angeordnet ist. Überdies kann Brennstoff von der Brennstoffquelle in die Kathode abgelassen werden, um einen Niedertemperaturstart zu erleichtern. Der Schritt zum Ablassen von Brennstoff kann durch Öffnen eines Brennstoffinertisierungsventils ähnlich dem vorher beschriebenen erreicht werden.
Gemäß eines noch weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für einen Übergangsbetrieb eines Brennstoffzellensystems offenbart. Das System ist derart ausgebildet, dass zumindest ein erster Betriebszustand, bei dem das System Elektrizität erzeugt, und ein zweiter Betriebszustand definiert werden, bei dem das System keine Elektrizität erzeugt. Komponenten in dem System umfassen zumindest eine Brennstoffzelle, einen Anodenströmungspfad, einen Kathodenströmungspfad, alle wie vorher beschrieben, eine Druckquelle, die mit der Sauerstoffquelle gekoppelt ist, und eine Vielzahl von Ventilen, von denen einige zumindest ein Ventil, das in der Umwälzschleife angeordnet ist, ein Spülventil und ein Brennstoffinertisierungsventil sind. Schritte bei diesem Verfahren umfassen ein Bringen des Systems in einen des ersten oder zweiten Betriebszustandes, ein Entkoppeln der Anode von der Brennstoffquelle, ein Einrichten zumindest eines Ventils, das in der Umwälzschleife angeordnet ist, so dass das Fluid, das durch die Druckquelle unter Druck gesetzt ist, 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, und ein Öffnen des Spülventils, so dass das im Wesentlichen sauerstoffabgereicherte Fluid in den Anodenströmungspfad eingeführt wird, wodurch der Anodenströmungspfad im Wesentlichen gespült wird.
Gemäß eines noch weiteren Aspektes der Erfindung ist eine Vorrichtung offenbart, die zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einer Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, umfasst. 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, alle wie vorher beschrieben. 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 eine Rückführung von Fluid in der Schleife selektiv zuzulassen, ein Brennstoffinertisierungsventil und ein Spülventil.
Optional dazu umfasst die Vorrichtung ferner eine Druckquelle, die mit der Brennstoffquelle und/oder der Sauerstoffquelle gekoppelt ist. Zusätzlich kann das zumindest eine Ventil, das in der Umwälzschleife angeordnet ist, eine Vielzahl von Ventilen umfassen, einschließlich eines Kathodenaustrittsventils, das derart ausgebildet ist, um einen Gegendruck in einer Austragsleitung in dem Kathodenströmungspfad selektiv zu steuern, und eines Kathodenströmungspfadrückführventils, das zwischen der Sauerstoffquelle und der Druckquelle angeordnet ist. Wie vorher beschrieben wurde, kann die Druckquelle durch einen Luftkompressor beliefert werden. Ein Brenner kann ebenfalls enthalten sein, um eine Reaktion zwischen Brennstoff und Sauerstoff zu unterstützen. Wie zuvor kann ein Kühler fluidmäßig unterstromig des Brenners gekoppelt sein, während ein Katalysator an der Kathode angeordnet sein kann, um eine Reaktion zwischen Brennstoff und Sauerstoff zu unterstützen. Ein Controller, der derart ausgebildet ist, um die Brennstoffmenge, die in den Kathodenströmungspfad eingeführt wird, zu regulieren, kann zusätzlich enthalten sein, wobei zusätzlich ein Sauerstoffsensor enthalten sein kann, so dass der Controller derart ausgebildet ist, um die Vielzahl von Ventilen in Ansprechen auf ein von dem Sauerstoffsensor geliefertes Signal zu betätigen. Die Vorrichtung kann ferner einen Energieumwandlungsmechanismus umfassen, der derart ausgebildet ist, um von dem Brennstoffzellensystem erzeugte Elektrizität aufzunehmen und diese in eine 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) spricht auf die Antriebsenergie, die in dem Energieumwandlungsmechanismus erzeugt wird, mit Bewegung an.
KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN 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;
3 ein Fahrzeug zeigt, das das Brennstoffzellensystem von entweder 2A oder 2B zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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 Strö mungskanal 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, vervollständigt einen Pfad für einen elekt rischen Fluss zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle 300. 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 und 2B 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 die 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), der 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. In solchen Fällen können sich ohne das System der vorliegenden Erfindung Überspannungspotentiale entwickeln, die den Träger 314B angreifen.
Die Abschaltabfolge des Brennstoffzellensystems 1 startet 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, obwohl angemerkt sei, dass, wenn das Fluid bereits ausreichend unter Druck gesetzt ist, kein zusätzlicher Druck vorgesehen werden muss. 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. 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 Umstande 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. 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 gegebenenfalls 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 Ausgang 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.
In 3 in Verbindung mit 1 ist 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.
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 gelangen, rückgeführt werden, wodurch eine Reaktion zwischen dem Restsauerstoff in dem rückgeführten Fluid und Brennstoff, der in die Umwälzschleife eingeführt worden ist, ermöglicht wird, bis im Wesentlichen der gesamte Sauerstoff reagiert ist, wobei eine im Wesentlichen sauerstofffreie Verbindung vorwiegend aus Stickstoff in der Kathode und dem zugeordneten Strömungspfad zurückbleibt. Anschließend kann diese Verbindung umgelenkt werden, um den verbleibenden restlichen Wasserstoff, der in der Anode und dem zugeordneten Strömungspfad der Brennstoffzelle vorhanden ist, zu spülen. Während die vorliegende Erfindung während jeder Periode des Systembetriebs verwendbar ist, ist es für Betriebsbedingungen in Verbindung mit einem Start und einem Abschalten eines Brennstoffzellensystems von besonderem Wert, um die Bildung von Hochspannungspotentialen zu verhindern, die ansonsten die Brennstoffzellenkatalysatoren oder Katalysatorträger beschädigen könnten.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren umfasst, dass: das System derart ausgebildet wird, dass es umfasst: zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einer Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist; einen Anodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Anode mit einer Brennstoffquelle zu koppeln; und einen Kathodenströmungspfad, der derart ausgebildet ist, um die Kathode mit einer Sauerstoffquelle zu koppeln, wobei der Kathodenströmungspfad eine darin angeordnete Umwälzschleife umfasst; die Anode von der Brennstoffquelle entkoppelt wird; Fluid, das in dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist, durch die Umwälzschleife rückgeführt wird; Brennstoff in die Umwäzschleife eingeführt wird; der Brennstoff mit dem rückgeführten Fluid reagiert wird, bis das rückgeführte Fluid im Wesentlichen sauerstoffabgereichert wird; und das im Wesentlichen sauerstoffabgereicherte Fluid in den Anodenströmungspfad eingeführt wird, so dass jegliches Fluid, das vorher darin vorhanden war, im Wesentlichen von diesem gespült wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Ausgestalten des Systems den zusätzlichen Schritt umfasst, dass eine Druckquelle fluidmäßg mit der Brennstoffquelle und/oder der Sauerstoffquelle gekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, mit dem zusätzlichen Schritt, dass Fluid, das in der Umwälzschleife enthalten ist, unter Druck gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Rückführschritt ferner umfasst, dass ein Kathodenaustrittsventil, das in der Umwälzschleife angeordnet ist, geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Rückführschritt ferner umfasst, dass ein Kathodenströmungspfadrückführventil, das in der Umwälzschleife angeordnet ist, geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Einführen des im Wesentlichen sauerstoffabgereicherten Gases in den Anodenströmungspfad umfasst, dass ein Spülventil geöffnet wird, das den Kathodenströmungspfad fluidmäßig mit dem Anodenströmungspfad koppelt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Spülventil zwischen der Kathode und einem Kathodenaustrittsventil angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Einführen von Brennstoff in die Umwälzschleife umfasst, dass ein Brennstoffinertisierungsventil eingestellt wird, das den Anodenströmungspfad fluidmäßig mit dem Kathodenströmungspfad koppelt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das System zumindest einen ersten Betriebszustand, in dem das System Elektrizität erzeugt, einen zweiten Betriebszustand, in dem das System keine Elektrizität erzeugt, und einen dritten Betriebszustand definiert, der zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszustand übergeht.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Entkopplungs-, Rückführ-, Reaktions- und beide Einführschritte den dritten Betriebszustand umfassen.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner mit dem Schritt, dass der Anodenströmungspfad mit Brennstoff gefüllt wird, sobald das im Wesentlichen sauerstoffabgereicherte Fluid den Anodenströmungspfad im Wesentlichen gespült hat.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt zum Füllen des Anodenströmungspfads mit Brennstoff, sobald das im Wesentlichen sauerstoffabgereicherte Fluid den Anodenströmungspfad im Wesentlichen gespült hat, umfasst, dass der Anodenströmungspfad von dem Kathodenströmungspfad fluidmäßig getrennt wird und die Brennstoffquelle fluidmäßig mit der Anode gekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt zum fluidmäßigen Trennen des Anodenströmungspfads von dem Kathodenströmungspfad umfasst, dass ein dazwischen angeordnetes Spülventil geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt zum fluidmäßigen Trennen des Anodenströmungspfads von dem Kathodenströmungs pfad ferner umfasst, dass ein Brennstoffinertisierungsventil, das dazwischen angeordnet ist, geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt zum fluidmäßigen Koppeln der Brennstoffquelle mit der Anode umfasst, dass ein Brennstofflieferventil, das in dem Anodenströmungspfad angeordnet ist, geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, mit dem zusätzlichen Schritt, dass das System in den ersten Betriebszustand gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 16, mit dem zusätzlichen Schritt, dass eine Strömung des Brennstoffs eingestellt wird, bis ein stationärer Betrieb erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 11, mit dem zusätzlichen Schritt, dass Fluid von der Sauerstoffquelle in die Anode abgelassen wird, um den ersten Betriebszustand zu unterstützen.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Ablassschritt umfasst, dass ein Spülventil geöffnet wird, das den Kathodenströmungspfad mit dem Anodenströmungspfad fluidmäßig koppelt.
Verfahren nach Anspruch 11, mit dem zusätzlichen Schritt, dass Brennstoff von der Brennstoffquelle in die Kathode abgelassen wird, um den ersten Betriebszustand zu unterstützen.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Schritt zum Ablassen von Brennstoff in die Kathode umfasst, dass ein Brennstoffinertisie rungsventil geöffnet wird, das den Anodenströmungspfad fluidmäßig mit dem Kathodenströmungspfad koppelt.
Verfahren nach Anspruch 1, mit dem zusätzlichen Schritt, dass die Menge an Brennstoff, die in den Kathodenströmungspfad eingeführt wird, geregelt wird, um ein im Wesentlichen stöchiometrisches Verhältnis zwischen dem Brennstoff und dem Sauerstoff, der in dem umgewälzten Fluid vorhanden ist, beizubehalten, zumindest bis der Sauerstoff in dem Reaktionsschritt im Wesentlichen verbraucht ist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Schritt zum Regeln der Menge an Brennstoff umfasst, dass: die Menge an Sauerstoff, die in dem umgewälzten Fluid vorhanden ist, erfasst wird; und ein Brennstoffinertisierungsventil, das den Anodenströmungspfad fluidmäßig mit dem Kathodenströmungspfad koppelt, um einen Betrag eingestellt wird, der notwendig ist, um das im Wesentlichen stöchiometrische Verhältnis beizubehalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoff wasserstoffreich ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Brennstoff aus der Gruppe gewählt ist, die Methanol, Wasserstoff, Methan und Benzin umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Sauerstoffquelle Luft umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Reaktionsschritt in einem Brenner erfolgt, der fluidmäßig mit dem Kathodenströmungspfad gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 27, mit dem zusätzlichen Schritt zum Kühlen von Produkten, die während des Reaktionsschritts erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 28, mit dem zusätzlichen Schritt, dass ein Kühler zwischen dem Brenner und der zumindest einen Brennstoffzelle angeordnet wird, um den Kühlschritt zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Reaktionsschritt an einem an der Kathode angeordneten Katalysator erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Einführen des im Wesentlichen sauerstoffabgereicherten Fluides in den Anodenströmungspfad umfasst, dass der Kathodenströmungspfad unterstromig der Kathode fluidmäßig mit einer Einlassstelle in der Anode gekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, mit dem zusätzlichen Schritt, dass der Anodenströmungspfad mit Luft gefüllt wird, sobald der vorher vorhandene Brennstoff im Wesentlichen von diesem gespült worden ist.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei der Schritt zum Füllen des Anodenströmungspfads mit Luft dadurch bewirkt wird, dass ein Brennstoffinertisierungsventil geschlossen wird und ein Spülventil geöffnet wird, wobei jedes der Ventile zwischen dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Entkoppeln der Anode von der Brennstoffquelle durch Schließen eines Brennstofflieferventils erreicht wird.
Verfahren zum Vorbereiten eines Brennstoffzellensystems für einen Start, wobei das Verfahren umfasst: dass das System derart ausgebildet wird, dass es umfasst: zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einer Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist; 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 eine Vielzahl von Ventilen, die derart ausgebildet sind, um eine Fluidverbindung zwischen dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad herzustellen; Brennstoff von der Brennstoffquelle in den Kathodenströmungspfad eingeführt wird; Fluid, das in dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist, durch die Umwälzschleife rückgeführt wird; Brennstoff in die Umwälzschleife eingeführt wird; der Brennstoff mit dem rückgeführten Fluid reagiert wird, bis das rückgeführte Fluid im Wesentlichen sauerstoffabgereichert wird; und das im Wesentlichen sauerstoffabgereicherte Fluid in den Anodenströmungspfad eingeführt wird, so dass jegliches Fluid, das vorher darin vorhanden war, im Wesentlichen von diesem gespült wird.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei der Schritt zum Einführen des im Wesentlichen sauerstoffabgereicherten Fluides umfasst, dass ein Spülventil geöffnet wird, das den Anodenströmungspfad fluidmäßig mit dem Kathodenströmungspfad koppelt, und anschließend ein Brennstofflieferventil geöffnet wird, das die Brennstoffquelle fluidmäßig mit der Anode koppelt.
Verfahren nach Anspruch 36, mit dem zusätzlichen Schritt, dass Fluid von der Sauerstoffquelle in die Anode abgelassen wird, um einen Niedertemperaturstart zu erleichtern.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei der Schritt zum Ablassen von Luft in die Anode umfasst, dass ein Spülventil, das zwischen dem Kathodenströmungspfad und dem Anodenströmungspfad angeordnet ist, geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 36, mit dem zusätzlichen Schritt, dass Brennstoff von der Brennstoffquelle in die Kathode abgelassen wird, um einen Niedertemperaturstart zu erleichtern.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei der Schritt zum Ablassen von Brennstoff umfasst, dass ein Brennstoffinertisierungsventil geöffnet wird, das den Anodenströmungspfad fluidmäßig mit dem Kathodenströmungspfad koppelt.
Verfahren zum Übergangsbetrieb eines Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren umfasst, dass: das System so ausgebildet wird, um zumindest einen ersten Betriebszustand, in dem das System Elektrizität erzeugt, und einen zweiten Betriebszustand zu definieren, in dem das System keine Elektrizität erzeugt, wobei das System 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 der 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; zumindest ein Ventil, das in der Umwälzschleife angeordnet ist, um eine Umwälzung von Fluid hindurch selektiv zuzulassen; ein Spülventil, das fluidmäßig den Kathodenströmungspfad mit dem Anodenströmungspfad koppelt; ein Brennstoffinertisierungsventil, das den Anodenströmungspfad fluidmäßig mit dem Kathodenströmungspfad koppelt; und eine Druckquelle, die mit der Sauerstoffquelle gekoppelt ist; das System in den ersten oder den zweiten Betriebszustand gebracht wird; die Anode von der Brennstoffquelle entkoppelt wird; das zumindest eine Ventil, das in der Umwälzschleife angeordnet ist, derart eingerichtet wird, dass das durch die Druckquelle unter Druck gesetzte Fluid hindurch rückgeführt werden kann; das Brennstoffinertisierungsventil so eingerichtet wird, dass Brennstoff von der Brennstoffquelle in den Kathodenströmungspfad eingeführt werden kann; der Brennstoff mit dem rückgeführten Fluid reagiert wird, bis das rückgeführte Fluid im Wesentlichen sauerstoffabgereichert wird; und das Spülventil geöffnet wird, so dass das im Wesentlichen sauerstoffabgereicherte Fluid in den Anodenströmungspfad eingeführt wird, wodurch der Anodenströmungspfad im Wesentlichen gespült wird.
Vorrichtung, mit: zumindest einer Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einer Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist; 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, wobei der Kathodenströmungspfad eine darin angeordnete Umwälzschleife umfasst; und einer Vielzahl von Ventilen, die 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 von Fluid hindurch zuzulassen; ein Brennstoffinertisierungsventil, das zwischen dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist, um eine selektive Fluidverbindung dazwischen zuzulassen; und ein Spülventil, das zwischen dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist, um eine selektive Fluidverbindung dazwischen zuzulassen.
Vorrichtung nach Anspruch 42, ferner mit einer Druckquelle, die mit der Brennstoffquelle und/oder der Sauerstoffquelle gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 43, wobei das zumindest eine Ventil, das in der Umwälzschleife angeordnet ist, umfasst: ein Kathodenaustrittsventil, das derart ausgebildet ist, um einen Gegendruck in einer Austragsleitung in dem Kathodenströmungspfad selektiv zu steuern; und ein Kathodenströmungspfadrückführventil, das zwischen der Sauerstoffquelle und der Druckquelle angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 43, wobei die Druckquelle einen Luftkompressor umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 42, ferner mit einem Brenner, der derart ausgebildet ist, um eine Reaktion zwischen Brennstoff und Sauerstoff zu unterstützen.
Vorrichtung nach Anspruch 46, ferner mit einem Kühler, der fluidmäßig unterstromig des Brenners gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 42, ferner mit einem Katalysator, der an der Kathode angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 42, ferner mit einem Controller, der derart ausgebildet ist, um die Menge an Brennstoff, die in den Kathodenströmungspfad eingeführt wird, zu regeln.
Vorrichtung nach Anspruch 49, ferner mit einem Sauerstoffsensor, so dass der Controller derart ausgebildet ist, um die Vielzahl von Ventilen in Ansprechen auf ein von dem Sauerstoffsensor geliefertes Signal zu betätigen.
Vorrichtung nach Anspruch 42, wobei die Vorrichtung ferner einen Energieumwandlungsmechanismus umfasst, der derart ausgebildet ist, um von dem Brennstoffzellensystem erzeugte Elektrizität aufzunehmen und diese in eine Antriebsenergie umzuwandeln.
Vorrichtung nach Anspruch 51, 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 in dem Energieumwandlungsmechanismus erzeugt wird, mit Bewegung anspricht.