DE112005002768T5

DE112005002768T5 - Brennstoff- und Luftströmungssteuerung in einem Mehrfach-Stapelbrennstoffzellenstromerzeuger

Info

Publication number: DE112005002768T5
Application number: DE112005002768T
Authority: DE
Inventors: Michael L. South Glastonbury Perry
Original assignee: UTC Power Corp
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 2004-11-05
Filing date: 2005-10-21
Publication date: 2007-09-20
Also published as: US7399547B2; WO2006052411A3; US20060099464A1; JP2008519421A; WO2006052411A2; CN101065869A; CN101065869B

Abstract

Brennstoffzellenstromerzeuger-Stromabschnittsanordnung (18), aufweisend:
a) eine Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln (2), wobei die Brennstoffzellenstapel in mindestens zwei Stufen (22, 24) eingeteilt sind, die von einem Brennstoffgasstrom in Tandem versorgt werden, wobei teilweise verbrauchter Brennstoff von einer Stufe in eine anschließende Stufe gespeist wird, wobei die eine Stufe eine Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln aufweist und die anschließende Stufe mindestens einen Brennstoffzellenstapel aufweist;
b) eine einheitliche Verzweigungssystemanordnung (20) für die Verwendung beim Steuern der Strömung von Reaktantengasströmen zwischen der Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln in der einen Stufe und dem Brennstoffzellenstapel in der anschließenden Stufe, wobei die Verzweigungssystemanordnung eine einzelne Brennstoffgaspassage (28) aufweist, die betriebsmäßig mit der Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln in der einen Stufe von den Brennstoffzellenstapeln verbunden ist, wobei die Brennstoffgaspassage dazu betriebsfähig ist, von der Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln abgelassene teilweise verbrauchte Brennstoffgasströme aufzunehmen und die teilweise verbrauchten Brennstoffgasströme in einen kombinierten Brennstoffgasstrom zu kombinieren, und wobei die Brennstoffgaspassage auch betriebsmäßig mit dem mindestens...

Description

Diese Erfindung betrifft eine Verbesserung eines Brennstoff- und Luftsteuerungssystems für einen Mehrfachstapelbrennstoffzellenstromerzeuger, der in der auch für die Anmelderin anhängigen US-Patentanmeldung SN 10/666,566, eingereicht am 22. September 2003, beschrieben ist. Der Inhalt der oben erwähnten Patentanmeldung der Anmelderin ist hierin in seiner Gesamtheit aufgenommen.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein System für das Steuern der Strömung von Luft und Brennstoff zu einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln in einem Mehrfachstufenbrennstoffzellenstromerzeuger, in dem mindestens zwei Brennstoffzellenstapel in einer ersten Stufe in dem Stromerzeuger in Tandem mit einem oder mehreren zusätzlichen Brennstoffzellenstapel(n) in einer zweiten Stufe in dem Stromerzeuger verbunden sind. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf ein Verfahren und ein System mit dem beschriebenen Charakter, wobei alle Brennstoffzellenstapel in dem Stromerzeuger an ein thermisch isoliertes gemeinsames Luft- und Brennstoffverteilungsverzweigungssystem montiert sind, das den Brennstoffzellenstapeln in der ersten Stufe Brennstoff zuführt und dann Brennstoffabgas der ersten Stufe dem(den) Brennstoffzellenstapel(n) der zweiten Stufe zuführt, wodurch alle Brennstoffzellenstapel in dem Stromerzeuger mit einem einzigen Brennstoffstrom betrieben werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Elektrizität wird von Brennstoffzellenstromerzeugern erzeugt, die einen kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffstrom oder einen Wasserstoffstrom und einen Luftstrom elektrochemisch in Elektronen und Wasser umwandeln. Ein Brenn stoffzellenstromerzeuger kann aus einem einzelnen Brennstoffzellenstapel oder Mehrfachbrennstoffzellenstapeln bestehen. Die Wahl der Stromerzeugerkonfigurationen kann von der erwünschten elektrischen Leistungsabgabe und/oder auch von dem verfügbaren Platz abhängen, den der Stromerzeuger einnehmen kann.
Wenn der Nutzen einer Mehrzahl von miteinander verbundenen Brennstoffzellenstapeln wünschenswert ist, wurde vorgeschlagen, dass Brennstoffzellenstapel in dem Stromerzeuger in Tandem verbunden werden können, so dass der aus einer ersten Stufe der Stapel in dem Stromerzeuger abgelassene Brennstoff zu einem oder mehreren Brennstoffzellenstapel(n) in einer zweiten Stufe des Stromerzeugers geleitet und als eine Brennstoffversorgung für den(die) Stapel in der zweiten Stufe des Stromerzeugers verwendet werden kann. Eine schematische Darstellung eines solchen Systems ist in der europäischen Patentschrift Nr. 0 263 052 B1, veröffentlicht am 27. Februar 1991, beschrieben. Diese Patentveröffentlichung zeigt Mehrfachstapelbrennstoffzellenstromerzeuger, in denen den Stapeln Reaktanten gemäß 1 parallel zugeführt werden und auch, in denen den Stapeln Reaktanten gemäß den 2 und 3 in Tandem zugeführt werden. Das in der oben erwähnten Patentveröffentlichung beschriebene System schlägt die Verwendung einer Mehrzahl von modularen Bauelementeinheiten vom Blocktyp für die verschiedenen Stufen in dem Stromerzeuger vor. Diese Herangehensweise beinhaltet die Verwendung einer Mehrzahl von Reaktanten-Übertragungsleitungen von einer Stufe zur nächsten, was kompliziert werden und komplizierte Reaktanten-Übertragungsleitungsanordnungen erfordern kann.
Es wäre wünschenswert, die Herangehensweise mit einer Tandem- oder Reihenverbindung für einen Mehrfachbrennstoffzellenstapelstromerzeuger mit einer vereinfachten Verbindung zwischen den einzelnen Stapeln in der ersten Stufe des Stromerzeugers und zwischen der ersten Stapelstufe und einer anschließenden Stapelstufe in dem Stromerzeuger nutzen zu können, und der die Wasserkondensation in dem Brennstoffstrom überwacht, der von der ersten Stapelstufe zu der anschließenden Stapelstufe geleitet wird. Wir haben eine vereinfachte thermisch isolierte einzige Verzweigungssystemstruktur entwickelt, die das oben erwähnte wünschenswerte Ergebnis schafft.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf einen Mehrfachbrennstoffzellenstapelstromerzeuger, der einen vereinfachten Brennstoff- und Luftverteilungsmechanismus verwendet, der thermisch isoliert ist, um Wasserkondensation in einem übertragenen Brennstoffstrom zu reduzieren. Der Brennstoffzellenstapelanordnungsbereich des Stromerzeugers dieser Erfindung weist eine Mehrzahl von separaten Brennstoffzellenstapeln auf, die gemeinsame Brennstoff- und Luftströme verwenden, um Elektrizität zu erzeugen. Die Brennstoffzellenstapel sind parallel und in Tandem verbunden, so dass eine Mehrzahl von Stapeln eine erste Stufe in dem Stromerzeuger bildet und einer oder mehrere zusätzliche Stapel eine zweite Stufe in dem Stromerzeuger bilden. Alle Stapel in jeder Stufe des Stromerzeugers sind betriebsmäßig mit einem thermisch isolierten Brennstoff- und Luftzwischenverteilungsverzweigungssystem verbunden, das von den Stapeln in der ersten Stufe abgelassenen Brennstoff zu den(dem) Stapel in der zweiten Stufe leitet. Die Stapel in der ersten Stufe werden parallel mit Brennstoff versorgt und der(die) Stapel in der zweiten Stufe werden in Tandem mit der ersten Stufe mit Brennstoff versorgt. Die Übertragung von Brennstoff von der ersten Stufe zu der zweiten Stufe wird mit einem minimalen und einheitlichen Gasdruckabfall erreicht, um sicherzustellen, dass es keine Fehlverteilung der Strömung in dem Verzweigungssystem von den Stapeln der ersten Stufe zu den Stapeln der zweiten Stufe gibt. Das Verteilungsverzweigungssystem ist thermisch isoliert, um Kondensation in der Brennstoffpassage, die Brennstoff von der ersten Stapelstufe an eine anschließende Stapelstufe verteilt, zu minimieren. Das Verteilungsverzweigungssystem kann auch Kondensationsablässe oder Wasserabscheider in der sekundären Brennstoffübertragungspassage aufweisen, um sämtliche in dem Brennstoffstrom auftretende Kondensation zu handhaben.
Das Verzweigungssystem weist eine Brennstoffpassage auf, die von den Brennstoffzellenstapeln in Stufe eins abgelassenen Brennstoff aufnimmt und diesen abgelassenen Brennstoff an den(die) Brennstoffzellenstapel in Stufe zwei leitet. Diese Brennstoffpassage ist dem feuchten Brennstoffgasstrom ausgesetzt und ist mit Kondensationsabflüssen und/oder Wasserabscheidern versehen, um sämtliche kondensierte Feuchtigkeit aus dem Brennstoffstrom aufzunehmen und um die Übertragung von kondensierter Feuchtigkeit an die anschließenden Stapelstufen in dem Stromerzeuger zu minimieren.
Es ist deshalb ein Aspekt dieser Erfindung, einen Mehrfachstapelbrennstoffzellenstromerzeuger bereitzustellen, der eine erste Stapelstufe, die eine Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln aufweist, und eine anschließende Stapelstufe, die einen oder mehrere zusätzliche Brennstoffzellenstapel aufweist, aufweist, wobei der(die) Brennstoffzellenstapel in der anschließenden Stufe mit von den Stapeln in der ersten Stufe abgelassenem Brennstoff mit Brennstoff versorgt werden, wobei dieser Brennstoff von den Stapeln in der ersten Stufe durch eine Brennstoffübertragungsverzweigungssystempassage zu den Stapeln in der anschließenden Stufe gelangt.
Es ist noch ein anderer Aspekt dieser Erfindung, einen Brennstoffzellenstromerzeuger mit dem beschriebenen Charakter bereitzustellen, wobei das Verzweigungssystem von Außenumgebungen thermisch isoliert ist, um die Feuchtigkeitskondensation in der Brennstoffübertragungsverzweigungssystempassage zu reduzieren.
Es ist noch ein anderer Aspekt dieser Erfindung, einen Brennstoffzellenstromerzeuger mit dem beschriebenen Charakter bereitzustellen, wobei die Brennstoffübertragungsverzweigungssystemspassage Feuchtigkeitsabscheider für das Einfangen von aus dem Brennstoffstrom heraus kondensierender Feuchtigkeit aufweist.
Es ist ein weiterer Aspekte dieser Erfindung, einen Brennstoffzellenstromerzeuger mit dem beschriebenen Charakter bereitzustellen, wobei das Verzweigungssystem einen strukturellen Träger für zusätzliches Stromerzeugerbetriebs-Equipment, wie z.B. eine Leiterplatte für das Aufnehmen von Spannungserfassungen aus den Zellstapeln und Ähnliches, aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Aspekte und Vorteile dieser Erfindung werden dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen leichter ersichtlich werden. In denen ist:
1 eine Perspektivansicht eines Bereichs eines gemäß dieser Erfindung ausgebildeten Zweistufenmehrfachbrennstoffzellenstapelstromerzeugers;
2 eine der 1 ähnliche Perspektivansicht, die aber die Verzweigungssystemisolierkomponente an ihrem Platz zeigt;
3 eine perspektivische Ansicht von oben auf ein Brennstoff- und Luftverteilungsverzweigungssystem zur Verwendung in dem Stromerzeuger von 1, wobei dieses Verzweigungssystem gemäß dieser Erfindung gebildet ist; und
4 ein Schnittansicht entlang der Linie 4-4 aus 3.
SPEZIFISCHE AUSFÜHRUNGSART DER ERDINDUNG
Es wird Bezug auf 1 genommen. Ein modularer Brennstoffzellenstromabschnitt bzw. Brennstoffzellenleistungssektion ist gezeigt, der allgemein von der Zahl 18 bezeichnet ist. Der Stromabschnitt 18 weist eine Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln 2 auf, die alle an ein gemeinsames Gasverteilungsverzweigungssystem 20 montiert sind. Die Stapel 2 sind in zwei Stufen gruppiert, die eine erste Stufe 22 und eine zweite Stufe 24 sind. Die erste Stufe 22 weist weniger als alle Brennstoffzellenstapel 2 auf und die zweite Stufe 24 weist den(die) übrigen zusätzlichen Brennstoffzellenstapel 2 auf. Der Stromabschnitt 18 weist auch eine Wasser- und Luftmanagementanordnungskomponente 26 auf, die eine herkömmliche Brennstoffzellenstromerzeugeranordnungskomponente ist.
2 beschreibt die Anordnung 18 aus 1 mit einer thermischen Isolierungskomponente 30, die das Verzweigungssystem 20 umgibt. Der Brennstoffgasstrom, der durch das Verzweigungssystem 20 strömt, ist ziemlich feucht und es ist wichtig, eine Kondensation des Wassers in den Brennstoffstrompassagen zu verhindern, da eine solche Wasserkondensation einen höheren Druckabfall als erwünscht in den Brennstoffgaspassagen und/oder eine Fehlverteilung der Brennstoffgasströmung schaffen kann. Durch die thermische Iso lierungskomponente, die das Verzweigungssystem 20, wie in 2 gezeigt, umgibt, werden alle Brennstoffgas- und Luftpassagen kompakt, ohne die Notwendigkeit, sie separat durch Umwicklung zu isolieren, thermisch isoliert. Der thermische Isolierungskomponente 30 kann von einer Glasfaserumwicklung oder einem Schaum, wie z.B. geschlossenenzelligem Polyethylenschaum, gebildet werden.
3 ist eine Perspektivansicht des Verteilungsverzweigungssystems 20. Das Verzweigungssystem 20 weist einen Einlassbrennstoffgasverteilungskanal 28 auf, der aus der ersten Stapelstufe 22 abgelassenen Brennstoff aufnimmt und den abgelassenen Brennstoff der zweiten Stapelstufe 24 zuführt. Das Verzweigungssystem 20 weist auch Lufteinlass- und -auslassverteilungskanäle 46 und 48 für die Stapel 2 in beiden Stufen 22 und 24 auf. Das Verzweigungssystem 20 weist eine periphere Schürze 32 auf, die als ein Montageträger für zusätzliche Komponenten des Stromerzeugers dienen kann. Diese zusätzlichen Komponenten könnten zum Beispiel eine (schematisch gezeigte) Spannungsbegrenzungsvorrichtung 34 und zum Beispiel eine (schematisch gezeigte) Unterstapelspannungsüberwachungsvorrichtung 36 aufweisen.
Der Brennstoffgasverteilungskanal 28 kann auch mit Abscheidern für kondensierte Feuchtigkeit gebildet sein, wie in 4 gezeigt. Die Feuchtigkeitsabscheider können die Form von in einer unteren Wand 38 des Verzweigungssystem 20 gebildeten Vertiefungen 40 annehmen. Die Feuchtigkeitsabscheider 40 können auch Ventilablässe 42 aufweisen, durch die die Feuchtigkeit periodisch aus dem Verzweigungssystem 20 entfernt und auf einen (nicht gezeigten) Kühlmittelakkumulator übertragen werden kann, der sich direkt unter dem Verzweigungssystem 20 befinden kann. Die Feuchtigkeitsabscheider 40 sind besonders während Übergangseinschalt- und Ausschaltphasen des Stromerzeugers wünschenswert.
Es ist leicht zu erkennen, dass die Stromerzeugerbrennstoffzellenstapelanordnung dieser Erfindung das Problem der Wasserkondensation in der Brennstoffübertragungsleitung des Verteilungsverzweigungssystems aufhebt oder reduziert. Die thermische Isolierung des Verteilungsverzweigungssystems verzögert Wasserkondensation in der Brennstoffübertragungsleitungskomponente des Verzweigungssystems und die Bereitstellung von Kondensationsabscheidern in der Brennstoffübertragungsleitung entfernt sämtliches Wasser aus dem Brennstoffgasstrom, das aus dem Brennstoffgasstrom heraus kondensiert. Kondensiertes Wasser kann dann an eine Kühlmittelspeicherkomponente des Stromerzeugers übertragen werden. Das Verteilungsverzweigungssystem schafft auch eine Struktur für das Montieren von zusätzlichen Stromerzeugerüberwachungskomponenten, wie oben bemerkt.
Da viele Änderungen und Variationen der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung gemacht werden können, ohne von dem erfinderischen Konzept abzuweichen, soll die Erfindung nicht anders als wie von den anhängenden Ansprüchen gefordert beschränkt werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Brennstoffzellenstromerzeuger (18) weist eine Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln (2) auf, die einander betriebsmäßig so zugeordnet sind, dass sowohl der Luftstrom als auch der Brennstoffstrom für die Stapel von jedem der Stapel in dem Stromerzeuger gemeinsam genutzt werden. Der Luftstrom und der Brennstoffstrom werden in eine Eingangsstapelstufe (22) in dem Stromerzeuger gespeist, und nachdem der Luftstrom und der Brennstoffstrom durch die Anfangsstapelstufe gelangen, werden die Brennstoffauslassströme dann in eine oder mehrere anschließende Stapelstufen (24) in dem Stromerzeuger gespeist. Die Brennstoffströme werden von der Eingangsbrennstoffzellenstapelstufe mittels eines gemeinsamen Verzweigungssystems (20), an das jeder der Brennstoffzellenstapel in dem Stromerzeuger montiert ist, an die anschließende Brennstoffzellenstapelstufe weitergeleitet. Die gemeinsamen Verzweigungssystembrennstoffstrompassagen (28) sind thermisch isoliert, um Wasserkondensation in den Brennstoffstrompassagen zu begrenzen. Das Verzweigungssystem kann auch Wasserkondensationssammlungsabscheider (40) aufweisen, die sämtliches in den Brennstoffstrompassagen gebildetes Wasserkondensat abziehen. Durch derartiges Steuern der Menge an Wasser, die in den Brennstoffstrompassagen kondensieren kann, werden gewünschte Ziel-Brennstoffstromdruckabfälle von Stufe zu Stufe in dem Stromerzeuger erreicht. Ferner kann das Verzweigungssystem mit zusätzlichen Komponentenhalterungen (34, 36) für das Montieren von Spannungserfassungsleiterplatten, wie auch anderen zusätzlichen Brennstoffzellenstromerzeugerkomponenten, ausgestattet sein, so dass auf diese Weise der Stromabschnitt des Brennstoffzellenstromerzeugers wie gewünscht in der Größe reduziert wird.

Claims

Brennstoffzellenstromerzeuger-Stromabschnittsanordnung (18), aufweisend: a) eine Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln (2), wobei die Brennstoffzellenstapel in mindestens zwei Stufen (22, 24) eingeteilt sind, die von einem Brennstoffgasstrom in Tandem versorgt werden, wobei teilweise verbrauchter Brennstoff von einer Stufe in eine anschließende Stufe gespeist wird, wobei die eine Stufe eine Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln aufweist und die anschließende Stufe mindestens einen Brennstoffzellenstapel aufweist; b) eine einheitliche Verzweigungssystemanordnung (20) für die Verwendung beim Steuern der Strömung von Reaktantengasströmen zwischen der Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln in der einen Stufe und dem Brennstoffzellenstapel in der anschließenden Stufe, wobei die Verzweigungssystemanordnung eine einzelne Brennstoffgaspassage (28) aufweist, die betriebsmäßig mit der Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln in der einen Stufe von den Brennstoffzellenstapeln verbunden ist, wobei die Brennstoffgaspassage dazu betriebsfähig ist, von der Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln abgelassene teilweise verbrauchte Brennstoffgasströme aufzunehmen und die teilweise verbrauchten Brennstoffgasströme in einen kombinierten Brennstoffgasstrom zu kombinieren, und wobei die Brennstoffgaspassage auch betriebsmäßig mit dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel in der anschließenden Stufe verbunden ist, um den kombinierten Brennstoffgasstrom in den mindestens einen Brennstoffzellenstapel in der anschließenden Stufe zu leiten, wodurch der gemeinsame Brennstoffgasstrom verwendet wird, um dem Brennstoffzellenstapel der anschließenden Stufe Brennstoff zuzuführen; und c) eine thermische Isolierung, die die Verzweigungssystemanordnung von Umgebungstemperaturen thermisch isoliert, um die Feuchtigkeitskondensation in der Brennstoffgaspassage zu beschränken.
Stromabschnittsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Verzweigungssystemanordnung ferner mindestens einen Abscheider für kondensierte Feuchtigkeit (40) in der Brennstoffgaspassage aufweist.
Stromabschnittsanordnung nach Anspruch 2, wobei der Abscheider für kondensierte Feuchtigkeit einen Ablass für das Entfernen kondensierter Feuchtigkeit aus dem Abscheider aufweist.
Stromabschnittsanordnung nach Anspruch 3, wobei der Ablass ein Ventil (42) für das selektive Steuern des Entfernens kondensierter Feuchtigkeit aus dem Abscheider aufweist.
Stromabschnittsanordnung nach Anspruch 1, ferner aufweisend zusätzliche Brennstoffzellenkomponentenhalterungen (34, 36) an der Verzweigungssystemanordnung für das Montieren von Spannungserfassungsleiterplatten als auch anderer zusätzlicher Brennstoffzellenstromerzeugerkomponenten.