DE112004001964T5

DE112004001964T5 - Brennstoffzellenstapel-Gasströmung und Behältnis mit einem einzelnen Ventil

Info

Publication number: DE112004001964T5
Application number: DE112004001964T
Authority: DE
Inventors: Paul R. South Windsor Margiott
Original assignee: UTC Fuel Cells LLC
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 2003-10-15
Filing date: 2004-10-12
Publication date: 2006-09-21
Also published as: WO2005043644A2; WO2005043644A3; US20050081930A1; JP2007509468A; US6959730B2

Abstract

Einzelnes Ventil zum selektiven Ermöglichen von entweder (a) Strömung von Gas in und aus Reaktantengas-Strömungsfelder(n) oder (b) Einschließung von Gas in Reaktantengas-Strömungsfeldern eines Brennstoffzellenstapels, aufweisend:
einen Einlass-Gasweg (27, 36; 44, 54);
einen Auslass-Gasweg (28, 37; 46, 55);
ein Leitelement (31, 41, 59), welches zwischen dem Einlass-Gasweg und dem Auslass-Gasweg angeordnet ist, welches in einer ersten Position (2 und 4) oder einer zweiten Position (3 und 5) ausgerichtet sein kann, wobei die zweite Position normal zu der ersten Position ist, wobei das Ventil in einer ersten Position Strömung von Reaktantengas von einer Quelle durch den Einlassweg zu dem Brennstoffzellenstapel und von dem Brennstoffzellenstapel durch den Auslassweg zur Abgabe als Abgas ermöglicht, und in der zweiten Position die Strömung in den und aus dem Brennstoffzellenstapel durch die Wege blockiert.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf ein einzelnes Ventil am Einlass und Auslass bei einem oder beiden der Reaktantengas-Strömungswege eines Brennstoffzellenstapels.
Stand der Technik
Im Stand der Technik ist bekannt, dass bei Abschalten einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage ohne eine an der Zelle anliegende elektrische Last die in der Brennstoffzelle verbleibenden Reaktantengase typischerweise hohe Zellenspannungen verursachen, welche wiederum Oxidation und Korrosion der Katalysatoren und Katalysatorträger bewirken. Dies wiederum verursacht eine Verschlechterung der Zellenleistung.
Eine Weise, dieses Problem zu verbessern, liegt darin, die Zelle mit Inertgasen oder fast inerten Gasen zu spülen. In der US-Patentanmeldung mit Seriennummer 09/872 957, eingereicht am 1. Juni 2001, wird ein Abschaltverfahren vorgestellt, welches das Einschließen einer speziellen Gasmischung aus Wasserstoff und hauptsächlich Stickstoff mit möglichen anderen Gasen, welche inert und für die Brennstoffzelle nicht schädlich sind, erfordert. Der Stickstoff kann aus der Luft enthalten werden, deren Sauerstoff früh in dem Prozess durch Reagieren mit Wasserstoff in der Zelle verbraucht wird.
Um eine bestimmte Gaszusammensetzung in der Brennstoffzelle während einer Phase des Abschaltens aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, die Einlässe und Auslässe der Brennstoff- und/oder Oxidationsmittel-Reaktantenströmungsfelder zu verschließen.
In manchen mit Umgebungsluft arbeitenden Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen werden keine Ventile in der Luftströmung verwendet. In anderen Systemen wird nur ein einzelnes Ventil in der Luftströmung verwendet. Um eine besondere Gaszusammensetzung in den Oxidationsmittel-Strömungsfeldern aufrechtzuerhalten, ist es daher notwendig, ein oder zwei Ventile zu einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage hinzuzufügen.
Bei den Brennstoffreaktantengas-Strömungsfeldern können typischerweise zwei Ventile vorgesehen sein, so dass es kein Problem beim Isolieren der Brennstoffgas-Strömungsfelder während des Abschaltens gibt, vorausgesetzt, dass die Kosten und Komplexität von zwei Ventilen akzeptabel sind.
Beschreibung der Erfindung
Ziele der Erfindung umfassen das Bereitstellen einer Einzelventilsteuerung der Strömung von Brennstoff- oder Oxidationsmittel-Reaktantengasen in und aus einem Brennstoffzellenstapel, wie auch das Einschließen der Gase in einem oder beiden Strömungsfeldern des Brennstoffzellenstapels während des Abschaltens.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Einzelventil in einer von zwei Positionen positioniert werden, wobei eine Position Reaktantengasströmung in ein Reaktantengas-Strömungsfeld und die Strömung von Reaktantengas aus dem Reaktantengas-Strömungsfeld ermöglicht, und eine zweite Position die Strömung in das oder aus dem selbe(n) Reaktantengas-Strömungsfeld verhindert.
Gemäß der Erfindung in einer Form werden Leitungen zu einem Kreuz gebildet, wobei die Strömungsverbindungen so sind, dass ein Leitelement in einer Position Strömung zwischen benachbarten Leitungen ermöglicht, welche die Einlassleitung auf der einen Seite und die Auslassleitung auf der anderen Seite umfassen; und in einer zweiten Position Strömung zwischen benachbarten Leitungen ermöglicht, wovon ein Paar der externe Reaktantengaseinlass und externe Reaktantengasauslass sind, wobei das andere Paar davon den Einlass des Strö mungsfelds mit dem Auslass des Strömungsfelds verbindet und die Strömungsfelder somit blockiert sind.
In einer weiteren Ausführungsform hat ein Dämpfungsventil, welches auf der Trennung zwischen dem Reaktantengas-Einlassbereich und dem Reaktantengas-Auslassbereich eines Reaktantengas-Verzweigungssystems sitzt, ein Leitventil, welches, wenn es mit der Trennung zwischen Einlass und Auslass ausgerichtet ist, ermöglicht, dass Reaktantengas in das Verzweigungssystem und aus dem Verzweigungssystem gelangt, aber wenn es rechtwinklig zu dem Verzweigungssystem-Trennelement positioniert ist, die Einströmung und Ausströmung blockiert und das Verzweigungssystem abdichtet, um somit jegliches Gas, welches in den Strömungsfeldern während des Abschaltens ist, einzuschließen. Diese Ausführungsform kann in Form eines Kastenventils sein oder ein gesamtes Verzweigungssystem-Trennelement umfassen, welches sich über die gesamte Länge des Verzweigungssystem-Einlasses erstreckt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Perspektivansicht einer Ausführungsform der Erfindung, welche kreuzförmige Leitungen verwendet, um ein einzelnes Ventil zu bilden, welches selektiv Strömung oder Einschließung von Gasen in den Reaktantengas-Strömungsfeldern ermöglicht.
2 ist eine teilweise Draufsicht, teilweise geschnitten, welche das Ventil in einer Strömungsposition zeigt.
3 ist eine teilweise Draufsicht, teilweise geschnitten, welche das Ventil in einer Einschließungsposition zeigt.
4 ist eine Perspektivansicht einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem Gas-Einlassverzweigungssystem-Trennelement, welches aus einem Leitelement besteht, das in einer Strömungsposition gezeigt ist.
5 ist eine Perspektivansicht einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem Reaktantengas-Einlassverzweigungssystem-Trennelement, welches aus einem Leitelement besteht, das in einer Einschließungsposition gezeigt ist.
6 ist eine Perspektivansicht einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem Kasten-Dämpfungsventil, welches extern von dem Einlass/Auslass-Verzweigungssystem-Trennelement positioniert ist, wobei das Leitelement in der Strömungsposition ist.
7 ist eine teilweise Perspektivansicht der Vorrichtung von 6, welche das Ventil in einer Einschließungsposition zeigt.
8 ist eine teilweise Perspektivansicht des Geräts von 1 mit einer passiven Leitelementsteuerung.
Art(en) der Ausführung der Erfindung
Es wird auf 1 Bezug genommen. Ein Brennstoffzellenstapel 11 hat ein Einlass/Auslass-Verzweigungssystem (12) für Luft (oder ein anderes Oxidationsmittel), ein Luft-Umkehrverzweigungssystem 13, ein Brennstoff-Einlass/Auslass-Verzweigungssystem 14 und ein Brennstoff-Umkehrverzweigungssystem 15. Die Brennstoffzellen 17, 18 des Stapels sind in einem elektrisch leitenden Verhältnis durch Druckplatten 20, 21 zusammengepresst. Die Druckplattenstangen und -riemen, welche die Verzweigungssysteme und weitere Hilfsvorrichtungen halten können, sind nicht gezeigt. Das Luft-Einlass/Auslass-Verzweigungssystem 12 hat ein Trennelement 24, welches bewirkt, dass Einlassluft von einer Einlassleitung 25 durch die linke Hälfte der Brennstoffzellen 17, wie in 1 gezeigt, strömt, dann durch das Luft-Umkehrverzweigungssystem 13 gelangt und durch die rechte Hälfte der Brennstoffzellen 18 gelangt, wo es zu einer Auslassleitung 26 geleitet wird.
Die Leitungen 25 und 26 sind mit weiteren Leitungen 27, 28 auf orthogonale Weise verbunden, so dass bei Orientierung eines Leitelements 31 von rechts nach links, wie in 2 dargestellt, Luft aus der Luft-Einlassleitung 27 vorbei an dem Leitelement 31 durch die Einlassleitung 25 in das Verzweigungssystem 12 strömen kann; und Luft kann von dem Verzweigungssystem 12 durch die Auslassleitung 26 an dem Leitelement 31 vorbei und durch die Luft-Auslassleitung 28 als Abgas entströmen. Wie hier verwendet, umfasst der Begriff Abgas, insbesondere mit Bezug auf Brennstoff-Reaktantengas, das Entlüften in die Umgebung wie auch das Leiten durch eine Wiederverwertungsleitung.
Wenn das Ventil 31 durch eine Stange 32 gedreht wird, so dass es, wie in 3 gezeigt, von oben nach unten ausgerichtet ist, ist die Luft-Einlassleitung 27 mit der Luft-Auslassleitung 28 verbunden, und die Einlassleitung 25 ist mit der Auslassleitung 26 verbunden. Anders ausgedrückt, sind die beiden Kammern des Luft-Einlass/Auslass-Verzweigungssystems 12 miteinander verbunden, was effektiv jegliches Gas in den Luft-Strömungsfeldern des Brennstoffzellenstapels einschließt.
Das aus orthogonalen Leitungen 25 bis 28 gebildete einzelne Ventil und das Leitelement 31 ermöglichen somit Strömung in und aus den Luft-Strömungsfeldern in einer Position und blockieren Strömung zu oder aus den Luft-Strömungsfeldern in einer zweiten Position.
Wie in 1 ersichtlich, kann eine ähnliche Anordnung verwendet werden für den Brennstoffeinlass, -auslass und dessen Einschließung, wie dargestellt durch die orthogonal angeordneten Leitungen 34 bis 37, welche im gleichen Verhältnis zueinander stehen wie die Leitungen 25 bis 28 auf der Luftseite.
In 4 erstreckt sich eine Kammer 40 über die gesamte Länge des Luft-Einlass/Auslass-Verzweigungssystems 12. Ein Leitelement 41 teilt in einer vertikalen Position, wie in 4 gezeigt, die Strömung in der gleichen Weise wie das Trennelement 24, so dass Luft, welche in eine Luft-Einlassleitung 44 strömt, in die Brennstoffzellen 17 an der linken Seite des Stapels 11 strömt, und Luft, welche aus den Brennstoffzellen 18 aus der rechten Seite des Stapels strömt, strömt in eine Luft-Auslassleitung 46. Wenn das Leitelement 41 in eine horizontale Position gedreht wird,. wie in 5 gezeigt wird, blockiert es die Struktur 40 vollständig und isoliert somit die Brennstoffzellen 17, 18 von den Leitungen 44, 46.
Ein ähnliches Leitelement 50 in einer Struktur 51 kann die Strömung von Brennstoff in die Brennstoffzellen 18 auf der rechten Seite des Stapels ermöglichen, wenn das Leitelement mit den Brennstoffeinlass- und -auslassleitungen 54, 55 ausgerichtet ist, wie in 4 gezeigt, wobei der innerste Bereich des Leitelements 50 als Trennelement in dem Brennstoff-Einlassverzweigungssystem 14 dient. Wenn andererseits das Leitelement 50 rotiert wird, so dass es sich über die Struktur 51 erstreckt, isoliert es die Brennstoffzellen 17, 18 von den Leitungen 54, 55 und bietet somit Einschließung von Gas in den Brennstoff-Strömungsfeldern des Stapels 11.
Eine ähnliche Ausführungsform ist in 6 und 7 dargestellt. Darin umfasst das Luft-Einlassverzweigungssystem 12 ein Trennelement 24 wie in 1. Eine Struktur 58 existiert außerhalb des Luft-Einlass/Auslass-Verzweigungssystems 12 und umfasst ein Leitelement 59, welches mit dem Trennelement 24 ausgerichtet ist, wenn es, wie in 6 gezeigt, vertikal ist, wodurch die Strömung von Luft zu und von den Brennstoffzellen durch die Leitungen 44, 46 ermöglicht wird. Wenn das Leitelement 59 in eine horizontale Position gedreht wird wie in 7, blockiert es vollständig die Struktur 58 und isoliert somit die Brennstoffzellen 17, 18 von den Leitungen 44, 46. Ein ähnliches Leitelement und eine ähnliche Struktur am Brennstoff-Verzweigungssystem kann die Strömung von Brennstoffgas auf ähnliche Weise einschließen oder zulassen.
Der Übergang der Leitelemente von einer Position in die jeweils andere Position kann durch jegliche konventionelle Weise 33 (1), welche in der Technik bekannt ist, erreicht werden. Die Bewegung des Leitelements kann passiv sein, wobei die Strömung von Gas in den Leitungen 26 und 27 erzwingt, dass sich das Leitelement gegen die Kraft einer Feder 60, wie in 8 gezeigt, dreht. Eine aktive, elektrisch angetriebene Vorrichtung, z.B. magnetische Verbindungen, Schrittmotoren, oder andere können verwendet werden.
Obwohl diese Erfindung beschrieben wurde für eine Brennstoffzelle, welche Oxidationsmittel- und Brennstoff-Strömungsanordnungen mit zwei Strömungsrichtungen aufweist, kann die Ausführungsform (1) mit Leitelementen in Überkreuzungen für andere bekannte Strömungsanordnungen verwendet werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Leitelement (31) am Verknüpfungspunkt von rechtwinkligen Leitungen (25 bis 28) ermöglicht Strömung von Luft in das und aus dem Luft-Einlass/Auslass-Verzweigungssystem (12) eines Brennstoffzellenstapels (11), wenn es in einer ersten Position angeordnet ist, und blockiert die Leitungen (25, 26) vollständig, um die Luft-Strömungsfelder der Brennstoffzellen (17, 18) vollständig zu isolieren, wenn es in einer Position ist, die normal zu der ersten Position ist. Ein Leitelement (41) kann das Trennelement des Luft-Einlass/Auslass-Verzweigungssystems aufweisen, wenn es in einer vertikalen Position ist, und das Verzweigungssystem vollständig blockieren, wenn es in einer horizontalen Position ist. Ein Leitelement (59) kann mit dem Trennelement (24) eines Luft-Einlass/Auslass-Verzweigungssystems in einer vertikalen Position ausgerichtet sein, und die Überleitung zwischen dem Verzweigungssystem und den Leitungen (44, 46) blockieren, wenn es in einer horizontalen Position ist. Ähnliche Leitelemente können verwendet werden für Einzelventilselektion von Strömung oder Einschließung von Brennstoff-Reaktantengas.

Claims

Einzelnes Ventil zum selektiven Ermöglichen von entweder (a) Strömung von Gas in und aus Reaktantengas-Strömungsfelder(n) oder (b) Einschließung von Gas in Reaktantengas-Strömungsfeldern eines Brennstoffzellenstapels, aufweisend: einen Einlass-Gasweg (27, 36; 44, 54); einen Auslass-Gasweg (28, 37; 46, 55); ein Leitelement (31, 41, 59), welches zwischen dem Einlass-Gasweg und dem Auslass-Gasweg angeordnet ist, welches in einer ersten Position (2 und 4) oder einer zweiten Position (3 und 5) ausgerichtet sein kann, wobei die zweite Position normal zu der ersten Position ist, wobei das Ventil in einer ersten Position Strömung von Reaktantengas von einer Quelle durch den Einlassweg zu dem Brennstoffzellenstapel und von dem Brennstoffzellenstapel durch den Auslassweg zur Abgabe als Abgas ermöglicht, und in der zweiten Position die Strömung in den und aus dem Brennstoffzellenstapel durch die Wege blockiert.
Ventil nach Anspruch 1, aufweisend: vier Leitungen (25 bis 28), welche an vier Scheitelpunkten einer im Wesentlichen orthogonalen Kreuzung verbunden sind; wobei das Leitelement (31) in der Kreuzung ist und in die erste Position zwischen dem ersten Paar der Scheitelpunkte gebracht werden kann, um eine erste der Leitungen (25) mit einer zweiten der Leitungen (27) zu verbinden und somit einen Einlass-Gasweg zu bilden und eine dritte der Leitungen (26) mit einer vierten der Leitungen (28) zu verbinden und somit einen Auslass- Gasweg zu bilden, wobei das Leitelement in die zweite Position gebracht werden kann, welche normal zu der ersten Position ist, zwischen einem zweiten Paar von Verzweigungspunkten, um die erste der Leitungen mit der vierten der Leitungen zu verbinden und die zweite der Leitungen mit der dritten der Leitungen zu verbinden und somit die Strömung in den und aus dem Brennstoffzellenstapel durch die Weg zu blockieren.
Ventil nach Anspruch 1, aufweisend: ein Gas-Einlass/Auslass-Verzweigungssystem (12, 40; 94, 51) mit einem Gas-Strömungsweg; und wobei: das Leitelement (41, 50) in dem Gas-Strömungsweg angeordnet ist und ausgelegt ist, dass es in einer ersten Position den Gas-Strömungsweg in den Einlass-Gasweg und den Auslass-Gasweg trennt, und ausgelegt ist, dass es in einer zweiten Position den Gas-Strömungsweg blockiert.
Ventil nach Anspruch 1, aufweisend: ein Gas-Einlass/Auslass-Verzweigungssystem (12; 14) mit einem Trennelement (24), um den Einlassweg von dem Auslassweg zu trennen, um einströmendes Gas in eine erste Hälfte des Brennstoffzellenstapels zu leiten und ausströmendes Gas aus einer zweiten Hälfte des Brennstoffzellenstapels aufzunehmen; und wobei: das Leitelement (59) mit dem Trennelement ausgerichtet angeordnet ist, wenn es in einer ersten Position ist, und zu dem Trennelement normal ist, wenn es in einer zweiten Position ist, und somit den Einlassweg und den Auslassweg blockiert.
Ventil nach Anspruch 1, wobei: das Leitelement von einer Position zu einer anderen Position durch eine aktive, elektrisch angetriebene Vorrichtung (33) überführt wird.
Ventil nach Anspruch 1, wobei: das Leitelement durch eine Feder (60) dazu gebracht wird, eine zweite Position einzunehmen und in die erste Position durch Gasströmung in dem Einlassweg und dem Auslassweg gebracht wird.