DE60312677T2

DE60312677T2 - Brennstoffzellen sauerstoffentfernung und vorbereitungsystem

Info

Publication number: DE60312677T2
Application number: DE60312677T
Authority: DE
Inventors: Philip John Beckenham Kent BR3 4TU MITCHELL; Paul Leonard Beckenham ADCOCK
Original assignee: Intelligent Energy Ltd
Current assignee: Intelligent Energy Ltd
Priority date: 2002-01-18
Filing date: 2003-01-15
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2023-01-16
Also published as: NO20034135L; GB2412784A; WO2003063278A2; ATE357748T1; EP1504484B1; ZA200405663B; US20050106445A1; GB2412784B; NO336082B1; GB0201114D0; NO20034135D0; ES2299684T3; EP1504484A2; CA2473553A1; RU2310255C2; AU2003201682A1; US7785746B2; JP2005516349A; CA2473553C; WO2003063278A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen und insbesondere auf Verfahren und Vorrichtungen zum kontrollierten Entfernen von Oxidationsmitteln aus einem Brennstoffzellenbrennstoffversorgungsstrom.
Konventionelle elektrochemische Brennstoffzellen wandeln Brennstoffe und Oxidationsmittel in elektrische Energie und ein Reaktionsprodukt um. Eine typische Auslegung einer konventionellen Brennstoffzelle 10 ist in 1 gezeigt, die zwecks Klarheit die verschiedenen Schichten in einer Explosionszeichnung zeigt. Eine Festpolymerionenaustauschmembran 11 ist zwischen einer Anode 12 und einer Kathode 13 angeordnet. Die Polymermembran erlaubt es Protonen, über die Membran hinweg zu treten, aber blockiert die Passage von Elektronen. Typischerweise sind die Anode 12 und die Kathode 13 beide aus einem elektrisch leitfähigen, porösem Material, wie beispielsweise porösem Kohlenstoff, ausgebildet, an das kleine Teilchen aus Platin und/oder anderen Edelmetallkatalysatoren angebunden sind. Die Anode 12 und die Kathode 13 sind oft direkt an die jeweils benachbarte Oberfläche der Membran 11 angebunden. Diese Kombination wird gemeinhin als Membran-Elektroden-Anordnung oder MEA bezeichnet.
Außen auf der Polymermembran und den porösen Elektrodenschichten sind eine Anodenfluidflussfeldplatte 14 und eine Kathodenfluidflussplatte 15 angeordnet. Die Fluidflussfeldplatten 14, 15 sind aus einem elektrisch leitfähigen, nichtporösen Material ausgebildet, über das die jeweilige Anodenelektrode 12 oder Kathodenelektrode 13 elektrisch kontaktiert werden kann. Zur selben Zeit müssen die Fluidflussfeldplatten in der Lage sein, die Zufuhr und/oder Abfuhr von fluidem Brennstoff, Oxidationsmittel und/oder Reaktionsprodukten (und/oder anderen verdünnenden Gasen, die an der Reaktion nicht teilhaben) zu oder von den porösen Elektroden zu ermöglichen. Dies wird konventioneller Weise durch Ausbilden von Fluidflusspassagen in einer Oberfläche der Fluidflussfeldplatten bewirkt, wie beispielsweise Nuten oder Kanäle 16 in der Oberfläche, die den porösen Elektroden zugekehrt ist.
2 zeigt eine Draufsicht auf einen typischen Fluidflusskanal 16, der als eine Serpentinenstruktur 20 in einer Seite der Anode 14 (oder Kathode) angeordnet ist und einen Einlassanschluss 21 und einen Auslassanschluss 22 aufweist. Viele verschiedene Konfigurationen des Fluidflusskanals können verwendet werden.
In einer typischen Anwendung wird bei der Anodenfluidflussfeldplatte 14 Wasserstoffgas durch den Einlassanschluss 21 in den Serpentinenkanal 20 eingelassen. Bei der Kathodenfluidflussplatte 15 wird Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoffgas) von dem Einlassanschluss in den Serpentinenkanal 20 eingelassen.
Vor dem Anfahren einer Brennstoffzelle 10 nach dem ersten Zusammenbau, der ersten Zusammenstellung, einer Reparatur, längeren Zeiträumen von Inaktivität oder Standby, kann eine Akkumulierung von Luft in den Brennstoffflusskanälen und den Brennstoffversorgungsleitungen auftreten, d. h. allgemein innerhalb des Brennstoffversorgungspfads der Brennstoffzelle. Es besteht deshalb eine Notwendigkeit, diese Luft zu entfernen, genauer gesagt, den Sauerstoff in der Luft aus dem Anodenbrennstoffversorgungspfad zu entfernen, bevor irgendwelcher Sauerstoffbrennstoff oder eine sauerstoffreiche Gasmischung der Anode 12 und der Membran 11 zugeführt wird.
Diese Entfernung von Sauerstoff vor dem Zuführen von Brennstoff ist wichtig, um eine unerwünschte unkontrollierte katalytische Verbrennung zu verhindern, die an der Oberfläche der Anode 14 auftritt und in lokale Erhitzung, Dehydrierung und mögliche Punktion der Protonenaustauschmembran 11 resultiert.
Im Stand der Technik ist es allgemeine Praxis, die Anodenkanäle 16 und andere Teile der Brennstoffversorgungsleitungen durch Hindurchleiten eines inerten Gases, wie beispielsweise Stickstoff, für einen Zeitraum vor der Einleitung von Wasserstoffbrennstoff zu spülen.
Dieser Prozess erfordert eine lokale Versorgung mit Stickstoff, der allgemein in einem Druckzylinder enthalten ist, und ihren periodischen Ersatz. Es ist wünschenswert, dieses Erfordernis zu beseitigen und dadurch die Betriebs- und Wartungsbedürfnisse des Systems zu vereinfachen. Dies ist insbesondere wichtig, wenn die Brennstoffzelle bereits im Feld installiert ist, z. B. als Teil eines Antriebssystems eine Fahrzeugs, wo die Zugänglichkeit für ein Spülgases und tatsächlich die Zugänglichkeit der Brennstoffzelle beschränkt sein mag.
Die WO 01/39310 offenbart ein Betriebssystem für ein direkt Kälteschutzmittel gekühltes Brennstoffzellenkraftwerk zum Erzeugen elektrischer Energie durch Reduzieren und Verarbeiten von Oxidationsmittelfluid-/Reaktionsmittelströmen. Das System umfasst eine Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle, die durch Wasserstoff versorgt wird, der durch einen Reformer und einen Brenner zum Verarbeiten von Kohlenwasserstoffbrennstoff versorgt wird. Eine Anodenabgaspassage empfängt einen aus der Brennstoffzelle austretenden Anodenabgasstrom, der dann über einen Wärmetauscher, welcher an den Ausgang des Reformers angeschlossen ist, einem Brenner zugeführt wird.
Die JP 1 124 962 offenbart ein Alkalielektrolytbrennstoffzellensystem, bei dem eine Brennstoffzelle durch Verbrennen von Wasserstoff und Sauerstoff in einem katalytischen Brenner, der an einen Wasserstoffzirkulationskreislauf angeschlossen ist, Spülen von Stickstoffgas in die Brennstoffzelle und Ersetzen durch Reaktionsgas vorgeheizt wird.
Die JP 5089899 offenbart eine Schmelzcarbonatbrennstoffzelle vom Typ mit internem Reformer, bei der mindestens ein Teil des Brennstoffs durch einen katalytischen Brenner verbrannt wird, der Verbrennungsgas sowohl zu der Anoden- als auch der Katodenseite der Brennstoffzelle liefert.
Die WO 01/97310 offenbart einen katalytischen Befeuchter und Heizer für eine Wasserstoffbrennstoffzelle, die eine Protonenaustauschmembran verwendet. Luft und Wasserstoff werden einem katalytischen Reaktor zugeführt, wodurch erwärmte angefeuchtete Luft erzeugt wird, die dann durch den Brennstoffzellenstapel strömt.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein bequemes Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen von Sauerstoff aus den Brennstoffversorgungsleitungen einer elektrochemischen Brennstoffzelle bereitzustellen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, durch die die Entfernung von Sauerstoff aus den Brennstoffversorgungsleitungen einer elektrochemischen Brennstoffzelle automatisch bewirkt werden kann.
Ein weiteres Problem, das mit dem Anfahren von Brennstoffzellen verbunden ist, ist, dass die Membran-Elektroden-Anordnung allgemein nur dann mit optimalem Wirkungsgrad arbeitet, nachdem sie eine ideale Betriebstemperatur und ein ideales Maß an Befeuchtung der Membran erreicht hat. Konventionell wird ein solcher optimaler Wirkungsgrad erst nach einem Zeitraum des Betriebs der Brennstoffzelle erreicht.
Es ist ein weiteres Zielt der Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, durch die ein Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelgasstrom vorkonditioniert wird, um die Befeuchtung der Membran-Elektroden-Anordnung zu beschleunigen und/oder um das Aufwärmen der Membran-Elektroden-Anordnung auf einen optimalen Betriebszustand hin zu beschleunigen.
Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem bereit mit:
einer Brennstoffzelle, die eine Anode, eine Kathode und eine dazwischen angeordnete Ionenaustauschmembran aufweist;
einer Brennstoffzuführungsleitung, welche
eine Fluidströmungsfeldplatte, die einen Teil der Anode ausbildet und einen Fluidströmungskanal, der sich durch sie hindurch erstreckt, aufweist;
einen Brennstoffzufuhreinlass, der an ein Ende des Fluidströmungskanals angeschlossen ist;
einen Brennstoffzufuhrauslass, der an ein anderes Ende des Fluidströmungskanals angeschlossen ist; und
einen Fluidströmungsregler zum kontrollierten Variieren der Menge an Brennstoff, die einem Mischpunkt in dem Brennstoffzufuhreinfass zugeführt wird, umfasst,
wobei das Brennstoffzellensystem weiterhin eine Rückführungsleitung umfasst, die sich zwischen dem Brennstoffzufuhrauslass und Mischpunkt erstreckt, wobei der Mischpunkt entweder (i) eine Reaktionskammer zum Reagieren von Brennstoff oder (ii) eine Vormischkammer zum Mischen von Brennstoff von dem Fluidströmungsregler mit Oxidationsmittelspezies aus der Rückführungsleitung umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Ionenaustauschmembran bereit, das die Schritte aufweist:
Zuführen von Brennstoff aus einer Brennstoffquelle an einen aktiven Oberflächenbereich der Anode mittels einer Brennstoffzuführleitung;
Rückführen von Fluid innerhalb der Fluidzufuhrleitung an einen Mischpunkt stromauf des aktiven Oberflächenbereichs der Anode;
Bewirken einer kontrollierten Verbrennung von Brennstoff und Oxidationsmittelspezies innerhalb der Brennstoffzufuhrleitung an dem Mischpunkt in einer Reaktionskammer.
Ausführungsformen der neuen Erfindung werden jetzt als Beispiel und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Querschnittsexplosionszeichnung einer Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik ist;
2 eine Draufsicht auf eine Fluidflussfeldplatte in der Brennstoffzelle gemäß 1 ist;
3 ein schematisches Diagramm einer ersten Anordnung eines Sauerstoffentfernungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
4 ein schematisches Diagramm einer zweiten Anordnung eines Sauerstoffentfernungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
5 ein schematisches Diagramm eines Vorkonditioniersystems zur kontrollierten Verbrennung von Brennstoff und Oxidationsmittel in einer Brennstoffversorgungsleitung gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
6 ein schematisches Diagramm eines weiteren Vorkonditioniersystems zum kontrollierten Verbrennen von Brennstoff und Oxidationsmittel in einer Brennstoffversorgungsleitung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Ein Verfahren, die Sauerstoffentfernung aus dem Brennstoffversorgungspfad zu erreichen, ist es, den Sauerstoff in einer kontrollierten katalytischen Verbrennung von Wasserstoff außerhalb der Brennstoffzelle zu verwenden.
Unter Bezugnahme auf 3 ist eine Brennstoffzelle 10 an Brennstoffversorgungsleitungen 30, 31 und Oxidationsmittel-/Abgasleitungen 32, 33 angeschlossen. Die Brennstoffversorgungsleitungen 30 bzw. 31 stellen einen Einlass 30 und einen Auslass 31 für ein Zuführen zu und Entfernen von der Anodenfluidflussfeldplatte 14 (1) bereit, während die Oxidationsmittelversorgungsleitung 32 eine Zufuhr des Oxidationsmittels zu einem Einlassende der Kathodenfluidflussfeldplatte 15 bereitstellt und die Abgasleitung 33 einen Auslass zum Abführen von nicht verwendetem Oxidationsmittel und Reaktionsprodukten von der Kathode bereitstellt.
Eine Brennstoffversorgung (z. B. Wasserstoff) ist an einen Systemeinlass 34 angeschlossen, der zu einer Reaktionskammer 35 führt. Eine Rückführschleife 36 erstreckt sich zwischen dem Auslass 31 und der Reaktionskammer. Die Rückführkammer 36 umfasst eine Pumpe 37 und kann unter Verwendung eines Zweiwegeventils 38 eingeschaltet werden.
Die Reaktionskammer 35 enthält ein geeignetes katalytisches Material, das auf einem Träger verteilt ist, um gemäß im Stand der Technik gut bekannten Techniken die Entfernung von hindurch tretenden Oxidationsmitteln zu ermöglichen. Derzeit bevorzugte katalytische Materialien umfassen Edelmetalle, wie beispielsweise Platin oder Aluminiumlegierungen, die auf einem keramischen Träger, wie beispielsweise Aluminiumoxyd, verteilt sind.
In einem normalen Betriebsmodus wird der Brennstoffzelle ein Wasserstoffbrennstoff über den Systemeinlass 34, vorzugsweise über einen Durchflussregler oder ein Messventil 39 bereitgestellt. Der Wasserstoffbrennstoff tritt in den Einlassanschluss 21 und die Anodenfluidflussfeldplatte 14 (1) ein, wo er zumindest teilweise verbraucht wird. Jeglicher nicht verbrauchter Brennstoff oder jegliches inertes Verdünnungsfluid aus der Brennstoffversorgung kann über einen Brennstoffsystemauslass 22 ausgeblasen werden, wenn das Zweiwegeventil 38 in eine Ausblasstellung geschaltet ist.
Wenn festgestellt wird, dass der Anoden-(Brennstoff-)Strom kontaminiert ist, oder wenn der Verdacht besteht, dass er durch Oxidationsmittelfluid kontaminiert ist, wird das System in einen Rückführbetriebsmodus geschaltet. In dieser Konfiguration wird das Zweiwegeventil 38 so geschaltet, dass der Brennstoffzellenauslass 31 an die Rückführschleife 36 angeschlossen ist. Falls es notwendig ist, die Fluidzirkulation aufrecht zu erhalten, wird die Rückführpumpe 37 eingeschaltet. Auf diese Weise wird der Anodenfluidstrom zurückgeführt, wobei er durch die Reaktionskammer 35 tritt, wo die Oxidationsmittelspezies von dem Fluidstrom entfernt werden, vorzugsweise durch Reaktion mit einer kontrollierten Zufuhr von Wasserstoffgas von dem Brennstoffsystemeinlass 34 und dem Durchflussregler 39.
Auf diese Weise wird die Verbrennung von Wasserstoff und Oxidationsmittelspezies nur in der Reaktionskammer 35 und nicht in der Brennstoffzelle 10 bewirkt.
Der Rückführungsbetriebsmodus kann gemäß jedem gewünschten vorherrschenden Zustand gestartet werden. Diese Zustände können jeden einzelnen oder mehrere der folgenden umfassen: (i) automatische Erkennung von Oxidationsmittel in dem Brennstoffversorgungsleitungseinlass 30 und/oder -auslass 31 mittels eines geeigneten Sensormechanismus (wird später beschrieben); (ii) automatische Detektion eines Zeitraums der Nichtverwendung der Brennstoffzelle, der einen vorgegebenen verstrichene Zeit-Grenzwert überschreitet; (iii) automatische Detektion eines Zeitraums der Verwendung der Brennstoffzelle, der einen vorgegebenen verstrichene Zeit-Grenzwert überschreitet; (iv) automatische Detektion eines Servicezustands, d. h. nach Detektion eines Brennstoffzellenwartungszustands; und (v) manuelle Initiierung durch einen Benutzer.
Während des Rückführmodus können die Gase in der Brennstoffzelle über die Rückführschleife 36 und durch die Reaktionskammer 35, in die Wasserstoffgas in einer kontrollierten Weise eingeführt wird, im Kreis geführt werden, bis sämtlicher unerwünschter Sauerstoff eliminiert ist. Dieser Rückführmodus kann automatisch für einen vorgegebenen Zeitraum anhalten, oder er kann bis zur Detektion einer Reduktion von unerwünschten Oxidationsmittelspezies unter einen vorgegebenen Grenzwert automatisch fortgesetzt werden. Alternativ kann die Dauer des Rückführmodus manuell durch den Benutzer gesteuert werden.
Die abgemessene Zufuhr von Wasserstoffbrennstoff von dem Strömungsregler 39 stellt sicher, dass die Verbrennung des Brennstoffs und des Oxidationsmittels auf das Volumen der Reaktionskammer 35 beschränkt ist, und dass keine Verbrennung innerhalb der Brennstoffzelle selbst erfolgt.
Die Anwesenheit einer Oxidationsmittelspezies in den Brennstoffversorgungsleitungen und in den Anodenleitungen kann durch eine Anzahl von Verfahren detektiert werden. Eine niedrige Spannung über dem lastfreien Brennstoffzellenstapel 10 nahe null ist oft ein guter Indikator der Anwesenheit von Sauerstoff auf der Anodenelektrodenseite. Nachdem dieser Sauerstoff im Wesentlichen entfernt worden ist, wird der Wasserstoff durch das Reaktionsbett hindurch und an die Brennstoffzellenanodenoberfläche heran treten, wodurch er die Spannung ohne Last erhöht und auf eine erfolgreiche Sauerstoffeliminierung hinweist.
So wird in einer derzeit bevorzugten Ausführungsform vor dem Betrieb der Brennstoffzelle die Spannung ohne Last getestet. Wenn diese Spannung ohne Last niedriger als ein vorgegebener Grenzwert ist, bestimmt das System, dass vor dem Eintreten in einen normalen Betriebsmodus ein Rückführbetriebsmodus unter Verwendung eines geringen Stroms an Wasserstoffversorgung gestartet werden sollte. In einer weiteren Ausführungsform wird die Spannung ohne Last während des Rückführmodus kontinuierlich überwacht, bis die Spannung ohne Last einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Sauerstoffniveau durch Überwachen der Temperatur der Reaktionskammer oder eines Auslasses derselben unter Verwendung eines geeigneten Thermoelements oder eines temperaturabhängigen Widerstands überwacht werden. Während des Zeitraums, in dem Sauerstoff mit Brennstoff in der Reaktionskammer reagiert wird, wird die Temperatur der Reaktionskammer oder des Gasstroms, der aus der Reaktionskammer austritt, ansteigen. Wenn dieser Temperaturanstieg endet, die Temperatur zu fallen beginnt oder der Temperaturanstieg unter eine vorgegebene Anstiegsrate absinkt, kann festgestellt werden, dass das Sauerstoffniveau unter einen geeigneten Grenzwert reduziert wurde, was darauf hinweist, dass die Brennstoffzelle in einen normalen Betriebsmodus gebracht werden kann.
Nachdem der Sauerstoff entfernt worden ist, können die Wasserstoffflussraten auf solche Niveaus erhöht werden, die mit der normalen Stromversorgung durch die Brennstoffzelle konsistent sind und der normale Betrieb kann beginnen.
Bezug nehmend auf 4 ist es ein alternatives Verfahren, die Sauerstoffentfernung von dem Brennstoffversorgungspfad zu erreichen, dass der Sauerstoff bei einer kontrollierten Verbrennung von Wasserstoff innerhalb der Brennstoffzelle verwendet wird.
Bei dieser Ausführungsform ist die Reaktionskammer 35 entfernt und die Rückführschleife 36 führt den zurückgeführten Gasstrom zu einem Mischpunkt 40, wo er mit dem kontrollierten geringen Strom an Wasserstoffbrennstoff von dem Brennstoffsystemeinlass 34 und dem Durchflussregler 39 gemischt wird.
Vorzugsweise weist der Mischpunkt 40 eine Vormischkammer 41 auf, die eine Mehrzahl von Mischblechen oder eine andere geeignete physikalische Struktur umfasst, um vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle eine innige Durchmischung des Brennstofffluids mit dem zurückgeführten Fluid zu bewirken. Auf diese Weise wird eine sehr kontrollierte Reaktion auf niedrigem Niveau an der Anode der Brennstoffzelle in einer solchen Weise bewirkt, dass jegliches signifikante Niveau an Beschädigung der Brennstoffzelle verhindert wird.
Dies basiert auf der katalytischen Aktivität der Anodenoberfläche in der Brennstoffzelle 10, die Reaktion von Brennstoff und Oxidationsmittel in situ zu fördern. Vorausgesetzt, dass eine geregelte Dosierung des Wasserstoffs und eine gute Vormischung vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle erfolgt, werden lokale Aufheizeffekte innerhalb der Anode vermieden und es erfolgt eine gute Reaktionsverteilung, die Beschädigungen der Brennstoffzelle vermeidet.
Der abgemessene Wasserstoffbrennstoff kann ein wasserstoffreiches Gas aufweisen, z. B. eine Mischung aus Wasserstoff und inertem Verdünnungsfluid, was weitere Verbesserung bei der Brennstoff- und Oxidationsmittelmischung bietet.
Ähnlich der Ausführungsform von 3 können automatische Steuermittel vorgesehen sein, um zu bestimmen, wann der Rückführmodus gestartet werden muss und für wie lange, bevor in einen normalen Betriebsmodus umgeschaltet werden kann.
Ein weiterer Aspekt des Verhinderns oder Beschränkens von Beschädigung der Membran-Elektroden-Anordnung ist es, sicherzustellen, dass der Brennstoff der Anode mit einer optimalen Temperatur und/oder Feuchtigkeit bereitgestellt wird. Während einer Anfahrphase kann die Steuerung der Temperatur und/oder Feuchtigkeit des Brennstoffs auch den Prozess des Erreichens eines optimalen Betriebszustands in der Brennstoffzelle beschleunigen.
Bezug nehmend jetzt auf 5 kann eine Anpassung des in Verbindung mit 3 beschriebenen Prozesses vorgenommen werden, um den Brennstofffluss durch Einführen von Wasser oder Dampf vorzukonditionieren, um die Feuchtigkeit in dem Brennstoffgasstrom zu verbessern oder aufrechtzuerhalten. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Temperatur des Brennstoffstroms ebenfalls gesteuert werden kann.
Um diese Brennstoffvorkonditionierung zu erreichen, ist eine Vorkehrung getroffen, um Oxidationsmittel (z. B. Luft) in die Reaktionskammer 35 einzuführen, um willkürlich die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zum Zwecke der Erzeugung von Wasser und Wärme zu erhöhen.
Eine Oxidationsmittelversorgungsleitung 50 ist an eine Quelle von geeignetem Oxidationsmittel angeschlossen. In der gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist diese Quelle bequemer Weise dieselbe Quelle von Oxidationsmittel, die zur Versorgung der Kathode verwendet wird, nämlich die Oxidationsmittelversorgungsleitung 32. Die Oxidationsmittelversorgungsleitung 50 ist daran über ein Ventil 51 angeschlossen, das auch einen Durchflussregler (nicht getrennt gezeigt) umfassen kann. Diese Systemkonfiguration kann mit oder ohne die Rückführleitung 36, die in den 3 und 4 dargestellt ist, verwendet werden.
Die Bereitstellung von kontrollierten Mengen von Oxidationsmittel an die Reaktionskammer 34 resultiert in eine vorgegebene Reaktionsrate von Wasserstoff und Sauerstoff in der Reaktionskammer, wodurch die Steuerung der Temperatur und Feuchtigkeit des Brennstoffgases ermöglicht wird, das der Brennstoffzelle 10 über einen Brennstoffversorgungsleitungseinlass 30 zugeführt wird (selbstverständlich angenommen, dass die Brennstoffversorgung von dem Durchflussregler 39 gegenüber dem, was durch die Oxidationsmittelversorgung benötigt wird, überschüssigen Brennstoff bereitstellt.
Der Strom von Wasser oder Wasserdampf zu der Brennstoffzelle 10 (und seine fortgesetzte Rückführung, wenn in Kombination mit der Rückführschleife 36 verwendet) erlaubt es durch Verwendung eines vorkonditionierten Brennstoffstroms, den Befeuchtungszustand der Membran zu steuern und auf diese Weise die Leitfähigkeit aufrechtzuerhalten.
Diese Möglichkeit ist insbesondere beim Betrieb von Brennstoffzellen vom offenen Kathodendesign nützlich, die zur Membrandehydrierung neigen, wenn sie nicht für ausgedehnte Zeiträume betrieben werden.
Energie wird im Rahmen der Reaktion in der Reaktionskammer 35 freigesetzt und bietet damit die Möglichkeit, Wärme direkt der Brennstoffzelle oder irgendeinem anderen Teil des zugehörigen Systems mittels eines Wärmetauscher-/Übertragungsmechanismus zuzuführen. Dies kann insbesondere nützlich sein, wenn eine Brennstoffzelle kalt gestartet wird, wobei die schnelle Erhöhung der Temperatur eine kürzere Zeit bis zur normalen Betriebstemperatur und zur maximalen Leistungsfähigkeit sicherstellen wird. In jedem Fall stellt die Verwendung eines katalytischen Reaktors stromauf einer Brennstoffgaseinführung und/oder in einer Rückführschleife die zusätzliche Flexibilität des Steuerns der Brennstoffgasfeuchtigkeit und des Einführens von Wärme über den Gasstrom bereit.
Bezug nehmend auf 6 ist eine weitere Anordnung gezeigt, die sowohl die Bereitstellung, Befeuchtung und Vorerwärmung des Brennstoffstroms zu der Anode der Brennstoffzelle 10 als auch die separate Befeuchtung und Vorerwärmung des Oxidationsmittelstroms zu der Kathode der Brennstoffzelle 10 erlaubt.
Bei dieser Anordnung ist der Brennstoffsystemeinlass 34 so geschlossen, dass er eine erste Reaktionskammer 35 innerhalb der Brennstoffversorgungsleitung 30 versorgt, die über eine Oxidationsmittelversorgungsleitung 50 versorgt wird. Die Oxidationsmittelversorgungsleitung 32 umfasst eine zweite Reaktionskammer 60, die durch eine Brennstoffversorgungsleitung 61 versorgt wird. Geeignete Ventile 62, 63 steuern den Fluss von Oxidationsmittel und Brennstoff zu der jeweiligen ersten und zweiten Reaktionskammer 35, 60, wobei diese Ventile auch Durchflussregler zum Variieren der Flussrate gemäß einem gewünschten Maß an Befeuchtung und/oder Vorerwärmung umfassen können.
Es wird verstanden werden, dass jede einzelne oder beide der ersten und zweiten Reaktionskammer unabhängig von der anderen verwendet werden können. Zusätzlich könnte das System gemäß 6 auch in Verbindung mit einer Rückführschleife verwendet werden, wie sie in Verbindung mit 3 beschrieben wird.
Der Vorkonditioniermodus, der in Verbindung mit 5 und 6 beschrieben wurde, kann gemäß jedem gewünschten vorherrschenden Zustand gestartet werden. Diese Zustände können einen oder mehrere der folgenden umfassen: (i) automatische Detektion, dass ein Zeitraum der Nichtverwendung der Brennstoffzelle einen vorgegebenen verstrichene Zeit-Grenzwert überschreitet; (ii) automatische Detektion, dass ein Verwendungszeitraum der Brennstoffzelle einen vorgegebene verstrichene Zeit-Grenzwert überschreitet; (iii) automatische Detektion eines Servicezustands, d. h. nach Detektion eines Brennstoffzellenwartungszustands; (iv) automatische Detektion eines vorgegebenen Temperatur- oder Feuchtigkeitszustand in der Brennstoffversorgungsleitung oder Brennstoffzelle, und (v) manuelle Initiierung durch einen Benutzer.
Der Vorkonditionierungsbetriebsmodus kann automatisch für einen vorgegebenen Zeitraum, unbegrenzt oder automatisch fortgesetzt werden, bis ein geeigneter Temperatur- oder Feuchtigkeitszustand in der Brennstoffversorgungsleitung oder der Brennstoffzelle detektiert wird. Alternativ kann die Dauer des Vorkonditionierungsmodus manuell durch den Benutzer gesteuert werden.
Innerhalb der vorliegenden Beschreibung wurde der Bequemlichkeit halber die Brennstoffzelle 10 so beschrieben, dass sie nur eine einzige Anode, Membran und Kathode aufweist. Es wird jedoch verstanden werden, dass gemäß konventionellem Brennstoffzellenaufbau mehr Membran-Elektroden-Anordnungen in Reihe oder in parallel in einem Stapel verwendet werden, um die Spannungs- und/oder Stromversorgung zu erhöhen. Demgemäß umfasst die Brennstoffversorgungsleitung typischerweise eine Mehrzahl von Anodenfluidflussfeldplatten, und die Oxidationsmittelversorgungsleitung umfasst typischerweise eine Mehrzahl von Kathodenfluidflussfeldplatten. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung gelten gleichermaßen für solche Membran-Elektroden-Anordnungsstapel.
Die Erfindung ist bezüglich einer konventionellen MEA beschrieben worden, die eine Polymermembran aufweist. Sie ist aber auch für andere Typen von Brennstoffzellen relevant.
Andere Ausführungsformen bewegen sich in den beigefügten Patentansprüchen.

Claims

Brennstoffzellensystem mit: einer Brennstoffzelle, die eine Anode, eine Kathode und eine dazwischen angeordnete Ionenaustauschmembran aufweist; einer Brennstoffzuführungsleitung, welche eine Fluidströmungsfeldplatte, die einen Teil der Anode ausbildet und einen Fluidströmungskanal, der sich durch sie hindurch erstreckt, aufweist; einen Brennstoffzufuhreinlass, der an ein Ende des Fluidströmungskanals angeschlossen ist; einen Brennstoffzufuhrauslass, der an ein anderes Ende des Fluidströmungskanals angeschlossen ist; und einen Fluiddurchflussregler zum kontrollierten Variieren der Menge an Brennstoff, die einem Mischpunkt in dem Brennstoffzufuhreinlass zugeführt wird, umfasst, wobei das Brennstoffzellensystem weiterhin eine Rückführungsleitung umfasst, die sich zwischen dem Brennstoffzufuhrauslass und Mischpunkt erstreckt, wobei der Mischpunkt entweder (i) eine Reaktionskammer zum Reagieren von Brennstoff oder (ii) eine Vormischkammer zum Mischen von Brennstoff von dem Fluiddurchflussregler mit Oxidationsmittelspezies aus der Rückführungsleitung umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Reaktionskammer ein Katalysatormaterial umfasst.
Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Rückführungsleitung mittels eines Zweiwegeventils schaltbar mit dem Brennstoffzufuhrauslass verbunden ist.
Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, die weiterhin Detektionsmittel zum Detektieren eines Niveaus umfasst, auf dem Oxidationsmittelspezies in zumindest einem Teil der Brennstoffzufuhrleitung vorliegen.
Bennstoffzelle nach Anspruch 4, wobei die Detektionsmittel Mittel zum Testen einer Leerlaufspannung über der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle aufweisen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, die weiterhin Steuermittel zum Schalten der Brennstoffzelle zwischen einem normalen Betriebsmodus, in dem eine relativ hohe Strömungsrate an Brennstoff der Anode und an Oxidationsmittel der Kathode zugeführt wird, und einen Rückführungsmodus aufweist, in dem eine relativ niedrige Strömungsrate an Brennstoff zusammen mit Oxidationsmittel, dass über die Rückfuhrleitung zugeführt wird, der Anode zugeführt wird.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, die weiterhin Steuermittel zum Schalten der Brennstoffzelle zwischen einem normalen Betriebsmodus, in dem eine relativ hohe Strömungsrate an Brennstoff der Anode und an Oxidationsmittel der Kathode zugeführt wird, und einen Rückführungsmodus aufweist, in dem eine relativ niedrige Strömungsrate an Brennstoff zusammen mit Oxidationsmittel, das über die Rückführungsleitung zugeführt wird, in die Brennstoffzufuhrleitung zugeführt wird.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, die weiterhin eine Oxidationsmittelversorgungsleitung aufweist, die sich von einer Oxidationsmittelversorgung zu dem Mischpunkt in dem Brennstoffzufuhreinlass erstreckt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 8, die weiterhin einen Oxidationsmittelströmungsregler zum kontrollierten Variieren der Menge an Oxidationsmittel aufweist, die dem Mischpunkt zugeführt wird.
Brennstoffzelle nach Anspruch 9, bei der der Oxidationsmittelströmungsregler ein Ventil aufweist, das die Oxidationsmittelversorgungsleitung an eine Kathodenoxidationsmittelversorgungsleitung anschließt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei der Mischpunkt eine Reaktionskammer zum Reagieren von Brennstoff von dem Fluiddurchflussregler mit Oxidationsmittelspezies aus der Oxidationsmittelversorgungsleitung aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei die Reaktionskammer ein Katalysatormaterial umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, die weiterhin Mittel zum Bewirken einer kontrollierten Verbrennung von Brennstoff und Oxidationsmittelspezies innerhalb einer Kathodenströmungszufuhrleitung umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 13, wobei die Kathodenströmungszufuhrleitung eine Fluidströmungsfeldplatte, die einen Teil der Kathode ausbildet und einen sich durch sie hindurch erstreckenden Fluidströmungskanal aufweist; einen Oxidationsmittelzufuhreinlass, der an ein Ende des Kathodenfluidströmungskanals angeschlossen ist; und einen Abgasauslass, der an ein anderes Ende des Kathodenfluidströmungskanals angeschlossen ist, aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei die Mittel zum Bewirken einer kontrollierten Verbrennung innerhalb einer Kathode eine Brennstoffversorgungsleitung aufweisen, die sich von einer Brennstoffversorgung zu einem Mischpunkt in der Oxidationsmittelzufuhrleitung erstreckt.
Brennstoffzelle nach Anspruch 15, wobei der Mischpunkt in der Oxidationsmittelzufuhrleitung eine Reaktionskammer zum Reagieren von Brennstoff aus der Brennstoffversorgungsleitung mit Oxidationsmittelspezies aus der Oxidationsmittelversorgung aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, das weiterhin Steuermittel zum kontrollierten Variieren der Strömungsrate des Brennstoffs und/oder des Oxidationsmittels umfasst, um ein, vorbestimmtes Maß an Befeuchtung des Brennstoffstroms zu erreichen, der der Anode zugeführt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, das weiterhin Steuermittelmittel zum kontrollierten Variieren der Strömungsrate des Brennstoffs und/oder des Oxidationsmittels umfasst, um ein vorgegebenes Maß an Vorerwärmung des Brennstoffstroms zu erreichen, der der Anode zugeführt wird.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Ionenaustauschmembran, das die Schritte aufweist: Zuführen von Brennstoff aus einer Brennstoffquelle an einen aktiven Oberflächenbereich der Anode mittels einer Brennstoffzuführleitung; Rückführen von Fluid innerhalb der Fluidzufuhrleitung an einen Mischpunkt stromauf des aktiven Oberflächenbereichs der Anode; Bewirken einer kontrollierten Verbrennung von Brennstoff und Oxidationsmittelspezies innerhalb der Brennstoffzufuhrleitung an dem Mischpunkt in einer Reaktionskammer.
Verfahren nach Anspruch 19, das weiterhin den Schritt des kontrollierten Variierens der Menge an Brennstoff umfasst, der dem Mischpunkt zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, das weiterhin den Schritt des Detektierens eines Niveaus, auf dem Oxidationsmittelspezies in mindestens einem Teil der Brennstoffzufuhrleitung vorliegen, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 19, das weiterhin die Schritte des Schaltens der Brennstoffzelle zwischen einem normalen Betriebsmodus, in dem eine relativ hohe Strömungsrate an Brennstoff der Anode und an Oxidationsmittel der Kathode zugeführt wird, und einem Rückführungsmodus aufweist, in dem eine relativ niedrige Strömungsrate an Brennstoff zusammen mit Oxidationsmittel, das in dem Rückführungsfluid zugeführt wird, der Anode zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, das weiterhin die Schritte des Schaltens der Brennstoffzelle zwischen einem normalen Betriebsmodus, in dem eine relativ hohe Strömungsrate an Brennstoff der Anode und an Oxidationsmittel der Kathode zugeführt wird, und einem Rückführungsmodus umfasst, in dem eine relativ niedrige Strömungsrate an Brennstoff zusammen mit Oxidationsmittel, das in dem Rückführungsfluid zugeführt wird, in die Brennstoffzufuhrleitung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, das weiterhin den Schritt des Steuerns der Strömungsrate des Brennstoffs und/oder des Oxidationsmittels umfasst, um ein vorgegebenes Maß an Befeuchtung des Brennstoffsstroms zu erreichen, der der Anode zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, das weiterhin den Schritt des Steuerns der Strömungsrate des Brennstoffs und/oder des Oxidationsmittels umfasst, um ein vorgegebenes Maß an Vorerwärmung des Brennstoffstroms zu erreichen, der der Anode zugeführt wird.