DE10065459A1 - Gestufte Entlüftung eines Brennstoffzellensystemes bei Schnellabschaltung - Google Patents

Gestufte Entlüftung eines Brennstoffzellensystemes bei Schnellabschaltung

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Abstract

Es ist eine Entlüftungsverfahrensweise und ein Entlüftungssystem zur Schnellabschaltung einer Brennstoffzellenvorrichtung des bei einem Fahrzeugantriebssystem verwendeten Typs offenbart. H¶2¶- und Luftströme an dem Brennstoffzellenstapel werden bei Aufnahme einer Schnellabschaltanweisung langsam an den Brenner umgelenkt. Die Umlenkung erfolgt über eine Zeitperiode (beispielsweise ein bis fünf Sekunden) unter Verwendung geeignet bemessener Bypassventile. Bei Aufnahme der Schnellabschaltanweisung wird der Anodeneinlaß des Brennstoffzellenstapels sofort an einer Fernentlüftung entlüftet, um das gesamte H¶2¶ von dem Stapel zu entfernen. Eine Luftströmung an dem Kathodeneinlaß des Brennstoffzellenstapels wird allmählich im Verlaufe der Bypassperiode vermindert, und dann wird, wenn die Luftströmungsumgehung beendet ist, der Kathodeneinlaß auch sofort an einer Fernentlüftung entlüftet, um Druckunterschiede über dem Stapel zu beseitigen.

Description

Staatliche Förderung
Die Regierung der Vereinigten Staaten von Amerika besitzt Rechte an die­ ser Erfindung gemäß dem Vertrag Nr. DE-AC02-90CH10435, zuerkannt von dem U. S. Department of Energy.
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein System mit einer Vielzahl von Zellen, die ein H2-reiches Gas verbrauchen, um Leistung zu erzeugen.
Hinterrund der Erfindung
Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als Energiequelle verwendet worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektri­ schen Fahrzeugantrieben als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorge­ schlagen worden. Bei Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen einen Membranelektrodenaufbau (MEA), der eine dünne, proto­ nendurchlässige, nicht elektrisch leitfähige Festpolymerelektrolytmembran umfaßt, die auf einer ihrer Seiten den Anodenkatalysator und auf der ge­ genüberliegenden Seite den Kathodenkatalysator umfaßt. Der MEA ist zwischen ein Paar elektrisch leitfähiger Elemente geschichtet, die (1) als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und (2) geeignete Ka­ näle und/oder Öffnungen darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktan­ den der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren enthalten. Der Begriff Brennstoffzelle wird abhän­ gig vom Zusammenhang typischerweise als Bezeichnung für entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen (Stapel) verwendet. Eine Viel­ zahl einzelner Zellen wird üblicherweise miteinander gebündelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, und gemeinsam in Serie angeordnet. Je­ de Zelle in dem Stapel umfaßt den Membranelektrodenaufbau (MEA), der vorher beschrieben wurde, und jeder derartige MEA liefert seinen Span­ nungszuwachs. Eine Gruppe benachbarter Zellen innerhalb des Stapels wird als Cluster bezeichnet. Typische Anordnungen von Mehrfachzellen in einem Stapel sind in dem U. S. Patent Nr. 5,763,113 beschrieben, das der General Motors Corporation übertragen ist.
Bei PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H2) der Anodenreaktand (d. h. Brennstoff) und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d. h. Oxidationsmit­ tel). Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O2) oder als Luft (eine Mischung aus O2 und N2) vorliegen. Die Festpolymerelektrolyten bestehen typischerweise aus Ionentauscherharzen, wie beispielsweise perfluorierter Sulfonsäure. Die Anode/Kathode umfaßt typischerweise fein unterteilte katalytische Partikel, die oftmals auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem protonenleitfähigen Harz gemischt sind. Die katalytischen Par­ tikel sind typischerweise kostbare Metallpartikel. Diese Membranelektro­ denaufbauten sind relativ teuer herzustellen und erfordern für einen wirk­ samen Betrieb bestimmte Bedingungen, wie beispielsweise ein richtiges Wassermanagement und eine Befeuchtung und eine Regelung von kataly­ satorschädlichen Bestandteilen, wie beispielsweise Kohlenmonoxid (CO).
Bei Fahrzeuganwendungen ist es erwünscht, einen flüssigen Brennstoff, wie beispielsweise einen Alkohol (beispielsweise Methanol oder Ethanol) oder Kohlenwasserstoffe (beispielsweise Benzin) als Wasserstoffquelle für die Brennstoffzelle zu verwenden. Derartige flüssige Brennstoffe für das Fahrzeug sind leicht an Bord zu speichern und es besteht eine breite In­ frastruktur zur Lieferung flüssiger Brennstoffe. Jedoch müssen derartige Brennstoffe aufgespalten werden, um deren Wasserstoffgehalt zur Befül­ lung der Brennstoffzelle mit Brennstoff freizugeben. Die Aufspaltungsre­ aktion wird in einem chemischen Brennstoffprozessor oder Reformer er­ reicht. Der Brennstoffprozessor umfaßt einen oder mehrere Reaktoren, in denen der Brennstoff mit Dampf und manchmal Luft reagiert, um ein Re­ formatgas zu erzielen, das hauptsächlich Wasserstoff und Kohlendioxid umfaßt. Beispielsweise reagieren bei dem Dampf-Methanol- Reformationsprozeß Methanol und Wasser (als Dampf) idealerweise, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen. In Wirklichkeit werden auch Kohlenmonoxid und Wasser erzeugt. Bei einem Benzinreformationsprozeß werden Dampf, Luft und Benzin in einem Brennstoffprozessor reagiert, der zwei Abschnitte umfaßt. Einer ist hauptsächlich ein Partialoxidationsre­ aktor (POX) und der andere ist hauptsächlich ein Dampfreformer (SR). Der Brennstoffprozessor erzeugt Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasser. Unterstromige Reaktoren können Wasser-Gas-Shift- Reaktoren (WGS-Reaktoren) und Reaktoren für selektive Oxidation (PROX- Reaktoren) umfassen. In dem PROX wird Kohlendioxid (CO2) aus Kohlen­ monoxid (CO) unter Verwendung von Sauerstoff aus Luft als Oxidations­ mittel erzeugt. Hierbei ist die Steuerung der Luftzufuhr wichtig, um CO selektiv in CO2 zu oxidieren.
Brennstoffzellensysteme, die einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff verar­ beiten, um ein wasserstoffreiches Reformat zum Verbrauch durch PEM- Brennstoffzellen zu erzeugen, sind bekannt und beschrieben in den eben­ falls anhängigen U. S. Patentanmeldungen Seriennrn. 08/975,442 und 08/980,087, die im November 1997 eingereicht wurden, und U. S. Seri­ ennr. 09/ 187,125, die im November 1998 eingereicht wurde und die je­ weils der General Motors Corporation übertragen sind, die Rechtsnachfol­ gerin der vorliegenden Erfindung ist; und in der internationalen Anmel­ dung Veröffentlichungsnr. WO 98/08771, die am 5. März 1998 veröffent­ licht wurde. Eine typische PEM-Brennstoffzelle und ihr Membranelektro­ denaufbau (MEA) sind in den U. S. Patenten Nr. 5,272,017 und 5,316,871 beschrieben, die am 21. Dezember 1993 bzw. 31. Mai 1994 eingereicht wurden und auf die General Motors Corporation übertragen sind.
Ein wirksamer Betrieb eines Brennstoffzellensystems hängt von der Fä­ higkeit ab, Gasströmungen (H2-Reformat und Luft/Sauerstoff) zu dem Brennstoffzellenstapel nicht nur während der Startphase und dem nor­ malen Systembetrieb wirksam zu steuern, sondern auch während der Sy­ stemabschaltung. Während der Abschaltung eines Brennstoffzellensyste­ mes, das Wasserstoff aus flüssigem Brennstoff erzeugt, steigen die CO- Emissionen der Anode an und können den Stapel schädigen. Demgemäß besteht ein Hauptanliegen während der Abschaltung in der Umlenkung der Gasströmungen von H2 und Luft/Sauerstoff um oder weg von dem Brennstoffzellenstapel und der Beseitigung des überschüssigen H2. Die H2- und Luftströmungen, die von dem Stapel während des Abschaltens umgelenkt werden, müssen auch getrennt gehalten werden, um die Bil­ dung einer brennbaren Mischung in dem System zu vermeiden. Der Stapel muß auch vor längeren Druckunterschieden (beispielsweise größer als fünf Sekunden) geschützt werden, die einen Bruch der dünnen Membrane in dem Membranelektrodenaufbau (MEA), die die Anoden- und Kathoden­ gase trennen, zur Folge haben könnten.
Brennstoffzellensysteme und insbesondere diejenigen, die bei Fahrzeug­ anwendungen verwendet werden, werden oftmals dazu verwendet, Start- und Übergangswärme für den Brennstoffprozessor zu erzeugen. Der Bren­ ner wird durch die Anoden- und Kathodenabflüsse, ergänzenden Kohlen­ wasserstoffbrennstoff bei Start- und Hochleistungssituationen und über­ schüssiges H2 von dem Brennstoffprozessor mit Brennstoff befüllt. Der Brenner dient auch zum Abbrennen restlicher Stapelabflüsse und des restlichen H2 des Prozessors während der Systemabschaltung. Während des normalen Systembetriebes läuft der Brenner typischerweise bei einer konstanten Temperatur, wie beispielsweise etwa 600°C bei einer beispiel­ haften Anwendung eines Fahrzeugantriebssystems. Es ist dabei immer wichtig, eine Überhitzung des Brenners zu verhindern, da die resultieren­ de Schädigung eine teure Ersetzung erfordern und den Betrieb des Sy­ stems im Ganzem behindern würde. Der Brenner nimmt daher im allge­ meinen eine kontinuierliche Luftströmung von der Systemluftversorgung auf. Die Luftströmung an den Brenner muß während des Abschaltens beibehalten werden, um eine Überhitzung zu verhindern, wenn der Bren­ ner Restgase abbrennt.
Die Kühlung des Brenners konkurriert daher mit den Abschaltungsaufga­ ben der Gasströmungsumlenkung und der Verbrennung des restlichen H2. Insbesondere, wenn die Luftversorgung für das System allgemein so­ wohl den Brenner als auch den Kathodeneinlaß des Brennstoffzellensta­ pels beliefert, darf die Umlenkung und Entlüftung von Luft von dem Ka­ thodeneinlaß dem Brenner nicht einmal zeitweilig eine ausreichende Luft­ strömung zum Abkühlen entziehen.
Während des normalen Abschaltens des Systems, bei dem die Zeit keinen Faktor darstellt, sind die konkurrierenden Anforderungen der Gasströ­ mungsumlenkung und der Brennerabkühlung relativ leicht zu versetzen und zu erfüllen. Während einer Schnellabschaltung müssen jedoch Koh­ lenmonoxidemissionen an der Stapelanode und Druckunterschiede an der Kathode innerhalb weniger Sekunden verteilt werden. Gleichzeitig muß eine ausreichende Luftströmung an den Brenner für die längere Abkühl­ periode beibehalten werden. Die koordinierte Umlenkung und Entlüftung der Gasströmungen bezüglich sowohl des Brennstoffzellenstapels als auch des Brenners ist schwierig.
Zusammenfassung der Erfindung
Bei einem Aspekt sieht die Erfindung ein Entlüftungsverfahren zur ge­ stuften Umlenkung und Entlüftung von Reformat-H2 und Luft relativ zu dem Brennstoffzellenstapel, dem Brenner und einer oder mehrerer Ent­ lüftungen vor. Diese gestufte Entlüftung schützt den Stapel vor einer Schädigung infolge von CO und infolge von hohen Druckunterschieden und schützt den Brenner vor Überhitzung. Bei einem anderen Aspekt sieht die Erfindung ferner ein derzeit bevorzugtes Ventileinrichtungs- und Steuerschema zur Ausführung des Entlüftungsverfahrens vor.
Bei einem Brennstoffzellensystem, bei dem der Brennstoffzellenstapel und der Brenner mit H2 bzw. Luft durch eine gemeinsame H2-Versorgung bzw. eine gemeinsame Luftversorgung beliefert werden und sowohl die H2- Versorgung als auch die Luft-Versorgung mit einem Bypassventil versehen sind, das bei einem normalen Systembetrieb sowohl den Stapel als auch den Brenner versorgt, aber während des Abschaltens den Stapel zu dem Brenner umgeht, wird der Stapelanodeneinlaß sofort entlüftet, wenn die Bypassventile angewiesen werden, sich zu schließen. Das Luftströmungs­ verhältnis wird durch das Bypassventil der Luftversorgung langsam zwi­ schen dem Kathodeneinlaß und dem Brenner verschoben, bis die Luft beinahe vollständig zu dem Brenner strömt. Der Kathodeneinlaß wird während der Verschiebung des Luftströmungsverhältnisses an einem Punkt entlüftet, an dem eine Entlüftung die Strömung von Kühlluft an den Brenner nicht signifikant beeinflußt, aber bevor der Druckunterschied zwischen den Kathoden- und Anodeneinlässen die Membrane in dem Sta­ pel schädigen kann.
Gemäß eines anderen Merkmales des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der H2-Lieferweg an den Brenner gleichzeitig mit dem Stapelanodeneinlaß entlüftet.
Gemäß eines anderen Merkmals des erfindungsgemäßen Verfahrens wird H2 von dem Anodeneinlaß und die Luft von dem Kathodeneinlaß durch getrennte Entlüftungen entlüftet, um die Erzeugung einer brennbaren Mi­ schung in dem System zu verhindern. Sowohl die H2-Entlüftung als auch die Luft-Entlüftung entlüften vorzugsweise an die Atmosphäre, obwohl andere Anordnungen (Adsorber, Speichertanks) bei bestimmten Anwen­ dungen von Nutzen sein könnten.
Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren durch schnell wirkende Entlüftungsventile ausgeführt, die vor­ gesehen sind: in dem Strömungsweg des H2-Bypassventiles zu dem An­ odeneinlaß, in dem H2-Lieferweg von dem H2-Bypassventil zu dem Bren­ ner; und in dem Luftversorgungsweg zwischen dem Luftbypassventil und dem Kathodeneinlaß. Die Entlüftungsventileinrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann existierende Ventile und ein während einer Schnellabschaltung gemäß des erfindungsgemäßen Verfah­ rens gesteuertes Brennstoffzellensystem umfassen, oder kann eine Venti­ leinrichtung nur zu diesem Zweck umfassen, die an das existierende Brennstoffzellensystem angefügt wird. Eine Steuerung der Entlüftungs­ ventileinrichtung kann durch eine zweckbestimmte Steuerung erfolgen, die einen geeigneten Mikroprozessor, Mikrocontroller, Personalcomputer, etc. umfaßt, der eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU) aufweist, die in der Lage ist, ein Steuerprogramm und in dem Speicher gespeicherte Daten auszuführen. Die Steuerung kann zusätzlich eine existierende Steuerung in einem Brennstoffzellensystem umfassen.
Zeichnungskurzbeschreibung
Die verschiedenen Merkmale, Vorteile und anderen Anwendungen der vorliegenden Erfindung werden durch Bezugnahme auf die folgende Be­ schreibung und die Zeichnungen offensichtlicher, in welchen:
Fig. 1 eine Zeichnung ist, die ein Brennstoffzellensystem darstellt, auf das das gestufte Entlüftungsverfahren und eine bevor­ zugte Entlüftungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfin­ dung angewendet werden kann.
Fig. 2 eine Zeichnung des in Fig. 1 gezeigten Brennstoffzellensy­ stemes ist, das bildlich dargestellt mit einer Gebrauchsan­ wendung verbunden ist.
Fig. 2A ein Flußdiagramm ist, das eine beispielhafte Erzeugung von Normal- und Schnellabschaltungsanweisungen durch ein Fahrzeugsystem an Bord darstellt.
Fig. 3 eine vereinfachte idealisierte Gasströmungs- und Entlüf­ tungsdarstellung des Brennstoffzellensystemes von Fig. 1 in einem normalen Betriebsmodus (d. h. ohne Abschaltung) ist, das gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Entlüf­ tungsanordnung versehen ist.
Fig. 4 das Brennstoffzellensystem von Fig. 3 in einer ersten Stufe eines Schnellabschaltmodus zeigt, bei dem die Bypassven­ tile gerade beginnen, sich zu schließen.
Fig. 5 das Brennstoffzellensystem von Fig. 3 in einer Zwischen­ stufe einer Schnellabschaltung zeigt, bei der die Bypass­ ventile teilweise geschlossen sind.
Fig. 6 das Brennstoffzellensystem von Fig. 3 zeigt, bei dem die Bypassventile nahezu geschlossen oder vollständig ge­ schlossen sind.
Fig. 6A eine alternative Ausführungsform des Systemes der Fig. 3-6 zeigt, die einen druckbeständigen Brennstoffzellenstapel annimmt.
Fig. 7 eine Darstellung eines Flußdiagrammes des Entlüftungs­ verfahrens ist, das durch die Ventilstellungen in den Fig. 3-6 dargestellt wird.
Fig. 8 das Brennstoffzellensystem von Fig. 1 mit einer hinzuge­ fügten Entlüftungsventileinrichtung zeigt, um das gestufte Entlüftungsverfahren der vorliegenden Erfindung auszufüh­ ren.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Entlüftung eines Brennstoffzellensystemes während einer Schnellab­ schaltung sieht eine gestufte Entlüftung und Umlenkung von Gasströ­ mungen vor, um eine angemessene Brennerabkühlung ohne Schaden an dem Brennstoffzellenstapel zuzulassen.
Die Erfindung ist insbesondere für Brennstoffzellensysteme von Nutzen, die dazu verwendet werden, Leistung für einen Fahrzeugantrieb zu erzeu­ gen. Dies wird weiter durch Bezugnahme auf das in Fig. 1 nur beispielhaft gezeigte Brennstoffzellensystem offensichtlich. Daher ist es vor der weite­ ren Beschreibung der Erfindung von Nutzen, den Systemtyp zu verstehen, mit dem das gestufte Entlüftungsverfahren verwendet werden kann, um den Stapel und Brenner zu schützen, und ferner, den Ort und das Zu­ sammenspiel einer existierenden Entlüftungsventileinrichtung in einem derartigen System zu veranschaulichen.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Brennstoffzellensystemes. Das System kann in einem Fahrzeug (nicht gezeigt) als eine Energiequelle zum Fahrzeugan­ trieb verwendet werden. Bei dem System wird ein Kohlenwasserstoff in ei­ nem Brennstoffprozessor beispielsweise durch Reformationsprozesse und Prozesse mit selektiver Oxidation verarbeitet, um ein Reformatgas zu er­ zeugen, das auf einer Volumen- oder Molbasis einen relativ hohen Was­ serstoffgehalt aufweist. Daher bezeichnet "H2" wasserstoffreich oder mit einem relativ hohen Wasserstoffgehalt.
Die Erfindung ist nachfolgend im Zusammenhang mit einer Brennstoff­ zelle, die durch ein H2-reiches Reformat mit Brennstoff befüllt wird, unge­ achtet des Verfahrens beschrieben, durch das ein derartiges Reformat hergestellt wird. Es ist zu verstehen, daß die hier ausgeführten Prinzipien auf Brennstoffzellen anwendbar sind, die durch H2 mit Brennstoff befüllt werden, der von einer beliebigen Quelle erhalten wird, einschließlich re­ formierbarem Kohlenwasserstoff und wasserstoffhaltigen Brennstoffen, wie beispielsweise Methanol, Ethanol, Benzin, Alken oder andere aliphati­ sche oder aromatische Kohlenwasserstoffe.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt eine Brennstoffzellenvorrichtung einen Brennstoffprozessor 2 zur katalytischen Reaktion eines Brennstoffstromes 6 aus reformierbarem Kohlenwasserstoff und Wasser in der Form von Dampf aus einem Wasserstrom 8. Bei einigen Brennstoffprozessoren wird auch Luft in einer Kombination aus Reaktion mit selektiver Oxidati­ on/Dampfreformierungsreaktion verwendet. In diesem Fall nimmt der Brennstoffprozessor 2 auch einen Luftstrom 9 auf. Der Brennstoffprozes­ sor umfaßt einen oder mehrere Reaktoren 12, wobei der reformierbare Kohlenwasserstoff-Brennstoff in dem Strom 6 in Anwesenheit von Was­ ser/Dampf 8 und manchmal Luft (in Strom 9) eine Aufspaltung erfährt, um das wasserstoffreiche Reformat zu erzeugen. Ferner kann jeder Reak­ tor 12 ein oder mehrere Reaktorbetten umfassen. Der Reaktor 12 kann einen oder mehrere Abschnitte oder Betten aufweisen, wobei eine Vielzahl von Konstruktionen bekannt und anwendbar sind. Daher kann die Aus­ wahl und Anordnung der Reaktoren 12 variieren, wobei beispielhafte Brennstoffreformierungsreaktor(en) 14 und unterstromige Reaktor(en) 16 unmittelbar anschließend beschrieben sind.
Beispielsweise reagieren in einem beispielhaften Dampf-Methanol- Reformationsprozeß Methanol und Wasser (als Dampf) idealerweise in ei­ nem Reaktor 14, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen, wie vor­ her im Hintergrund beschrieben wurde. Tatsächlich werden auch Koh­ lenmonoxid und Wasser erzeugt. Bei einem weiteren Beispiel reagieren in einem beispielhaften Benzinreformationsprozeß Dampf, Luft und Benzin in einem Brennstoffprozessor, der einen Reaktor 14 umfaßt, der zwei Ab­ schnitte aufweist. Ein Abschnitt des Reaktors 14 ist hauptsächlich ein Partialoxidationsreaktor (POX) und der andere Abschnitt des Reaktors ist hauptsächlich ein Dampfreformer (SR). Wie in dem Fall der Methanolre­ formation erzeugt die Benzinreformation den erwünschten Wasserstoff, erzeugt aber zusätzlich Kohlendioxid, Wasser und Kohlenmonoxid. Nach jedem Reformationstyp ist es erwünscht, den Kohlenmonoxidgehalt des Produktstromes zu verringern.
Demgemäß umfaßt der Brennstoffprozessor typischerweise auch einen oder mehrere unterstromige Reaktoren 16, wie beispielsweise Wasser-Gas- Shift-Reaktoren (WGS-Reaktoren) und Reaktoren für selektive Oxidation (PROX-Reaktoren), die dazu verwendet werden, aus Kohlenmonoxid Koh­ lendioxid zu erzeugen, wie vorher im Hintergrund beschrieben wurde. Vor­ zugsweise wird der anfängliche Reformatausgangsgasstrom, der Wasser­ stoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasser umfaßt, in einem Reaktor 16 für selektive Oxidation (PROX-Reaktor) weiter behandelt, um die CO- Niveaus darin auf annehmbare Niveaus, beispielsweise unterhalb 20 ppm zu reduzieren. Dann wird während des Laufmodus das H2-reiche Reformat 20 durch Ventil 31 in die Anodenkammer eines Brennstoffzellenstapels 22 zugeführt. Gleichzeitig wird Sauerstoff (beispielsweise Luft) von einem Oxidationsmittelstrom 24 in die Kathodenkammer der Brennstoffzelle 22 zugeführt. Der Wasserstoff von dem Reformatstrom 20 und der Sauerstoff von dem Oxidationsmittelstrom 24 reagieren in der Brennstoffzelle 22, um Elektrizität zu erzeugen.
Das Abgas oder der Abfluß 26 von der Anodenseite der Brennstoffzelle 22 enthält einigen nicht reagierten Wasserstoff. Das Abgas oder der Abfluß 28 von der Kathodenseite der Brennstoffzelle 22 enthält einigen nicht rea­ gierten Sauerstoff. Luft für den Oxidationsmittelstrom 24 wird durch eine Luftversorgung, vorzugsweise einen Kompressor 30 vorgesehen. Bei nor­ malen Betriebszuständen wird Luft von der Luftversorgung (Kompressor 30) an die Brennstoffzelle 22 durch ein Ventil 32 geführt. Während der Startphase wird jedoch das Ventil 32 betätigt, um Luft direkt an den Ein­ gang eines Brenners 34 zu liefern. Die Luft wird in dem Brenner 34 dazu verwendet, mit einem Brennstoff zu reagieren, der durch Leitung 46 gelie­ fert wird. Die Verbrennungswärme wird dazu verwendet, verschiedene Teile des Brennstoffprozessors 2 zu erwärmen.
Es sei angemerkt, daß einige der Reaktionen, die in dem Brennstoffpro­ zessor 2 auftreten, endotherm sind und somit Wärme erfordern. Andere Reaktionen verlaufen exotherm und erfordern eine Beseitigung von Wär­ me. Typischerweise erfordert der PROX-Reaktor 16 ein Beseitigung von Wärme. Eine oder mehrere der Reformationsreaktionen in dem Reaktor 14 sind typischerweise endotherm und erfordern eine Zugabe von Wärme. Dies wird typischerweise durch Vorerwärmen der Reaktanden (Brennstoff 6, Dampf 8 und Luft 9) und/oder durch Erwärmen ausgewählter Reakto­ ren erreicht.
Wärme von dem Brenner 34 erwärmt während der Startphase ausge­ wählte Reaktoren und Reaktorbetten in dem Brennstoffprozessor 2. Der Brenner 34 erzielt eine Erwärmung der ausgewählten Reaktoren und Bet­ ten in dem Brennstoffprozessor je nach Erfordernis durch indirekte Wär­ meübertragung damit. Typischerweise umfassen derartige indirekt er­ wärmte Reaktoren eine Reaktionskammer mit einem Einlaß und einem Auslaß. In der Reaktionskammer sind die Betten in der Form von Trä­ gerelementsubstraten vorgesehen, von denen jedes eine erste Oberfläche aufweist, die katalytisch aktives Material zur Erzielung der gewünschten chemischen Reaktionen trägt. Eine zweite Oberfläche, die der ersten Oberfläche entgegengesetzt ist, dient zum Wärmeübergang von heißen Ga­ sen auf die Trägerelementsubstrate. Zusätzlich ist der Brenner 34 ver­ wendbar, um den Brennstoff 6, das Wasser 8 und die Luft 9 vorzuerwär­ men, die als Reaktanden an den Brennstoffprozessor 2 geliefert werden.
Es sei angemerkt, daß die Luft 9, die an den Brennstoffprozessor 2 gelie­ fert wird, in einem oder mehreren der Reaktoren 12 verwendet werden kann. Wenn Reaktor 14 ein Benzinreformationsreaktor ist, dann wird Luft von Leitung 9 an den Reaktor 14 geliefert. Der PROX-Reaktor 16 verwen­ det auch Luft, um CO in CO2 zu oxidieren, und empfängt auch Luft von der Luftlieferquelle (Kompressor 30) über Leitung 9.
Der Brenner 34 deiniert eine Kammer 41 mit einem Einlaßende 42, einem Auslaßende 44 und einem Katalysatorabschnitt 48 zwischen den Enden. Kohlenwasserstoff-Brennstoff wird in den Brenner eingespritzt. Der Koh­ lenwasserstoff-Brennstoff wird, wenn er in flüssiger Form vorliegt, vor­ zugsweise verdampft und zwar entweder vor der Einspritzung in den Brenner oder in einem Abschnitt des Brenners, um den Brennstoff zur Verbrennung zu verteilen. Die Verdampfung kann mit einem elektrischen Heizer ausgeführt werden. Sobald das System arbeitet und der Brenner aufgewärmt worden ist, kann die Verdampfung durch Wärmeaustausch unter Verwendung von Wärme von dem Brennerabgas stattfinden, um den eintretenden Brennstoff zu verdampfen. Vorzugsweise ist eine Brennstoff­ meßvorrichtung 43 vorgesehen, um die Rate zu steuern, mit der Kohlen­ wasserstoff-Brennstoff an den Brenner geliefert wird.
Der Kohlenwasserstoff-Brennstoff 46 und der Anodenabfluß 26 reagieren in dem Katalysatorabschnitt 48 des Brenners 34, wobei dieser Abschnitt zwischen den Einlaß- und Abgasenden 42 bzw. 44 des Brenners 34 liegt. Sauerstoff wird entweder von der Luftversorgung (d. h. Kompressor 30) über Ventil 32 oder von einem zweiten Luftströmungsstrom, wie bei­ spielsweise einem Kathodenabflußstrom 28, abhängig von den Systembe­ triebsbedingungen an den Brenner 34 geliefert. Ein Ventil 50 erlaubt die Freigabe des Brennerabgases 36 an die Atmosphäre, wenn es nicht erfor­ derlich ist, um Reaktoren in dem Brennstoffprozessor 2 zu erwärmen.
Wie ersichtlich ist, ergänzt der Kohlenwasserstoff-Brennstoffstrom 46 den Anodenabfluß 26 als Brennstoff für den Brenner 34, wie erforderlich ist, um die Übergangs- und Festzustandserfordernisse des Brennstoffzellensy­ stems zu erfüllen. In einigen Situationen gelangt Abgas durch einen Regler 38, ein Absperrventil 140 und einen Schalldämpfer 142, bevor es an die Atmosphäre freigegeben wird. In Fig. 1 sind die Symbole wie folgt: "V" ist Ventil, "MFM" ist Massenflußmeter, "T" ist Temperaturüberwachung, "R" ist Regler, "C" ist Kathodenseite, "A" ist Anodenseite der Brennstoffzelle, "INJ" ist Einspritzeinrichtung und "COMP" ist Kompressor.
Die Menge an Wärme, die von den gewählten Reaktoren in dem Brenn­ stoffprozessor 2 gefordert wird und an den Brenner 34 geliefert werden soll, ist abhängig von der Menge an Brennstoff- und Wassereingang und schließlich der Sollreaktionstemperatur in dem Brennstoffprozessor 2. Wie vorher angemerkt wurde, wird manchmal auch Luft in dem Brennstoffpro­ zessorreaktor verwendet und muß zusammen mit dem Brennstoff und dem Wassereingang auch berücksichtigt werden. Um die Wärmeanforde­ rung des Brennstoffprozessors 2 liefern zu können, verwendet der Brenner 34 das gesamte Anodenabgas oder -abfluß 26 und möglicherweise einigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff. Enthalpiegleichungen werden dazu verwen­ det, um die Menge an Kathodenabgasluft zu bestimmen, die an den Bren­ ner 34 geliefert werden soll, um die Solltemperaturanforderungen des Brenners 34 erfüllen zu können, damit der Brenner 34 schließlich die durch den Brennstoffprozessor 2 geforderte Wärme erzielt. Der Sauerstoff oder die Luft, die an den Brenner 34 geliefert werden, umfaßt Kathoden­ abflußabgas 28, das typischerweise einen Prozentsatz des Gesamtsauer­ stoffes darstellt, der zu der Kathode der Brennstoffzelle 22 geliefert wird, und/oder einen Luftstrom von dem Kompressorausgang abhängig davon, ob die Vorrichtung in einem Startmodus, bei dem der Kompressorluft­ strom ausschließlich verwendet wird, oder in einem Laufmodus unter Verwendung des Kathodenabflusses 28 und/oder der Kompressorluft ar­ beitet. In dem Laufmodus wird die Gesamtluft-, Sauerstoff oder Verdün­ nungsanforderung, die von dem Brenner 34 erforderlich ist und nicht durch den Kathodenabfluß 28 erfüllt wird, durch den Kompressor 30 in einer Menge geliefert, um die Temperatur und Wärme zu erfüllen, die von dem Brenner 34 bzw. dem Brennstoffprozessor 2 gefordert sind. Die Luft­ steuerung ist über ein Luftverdünnungsventil 47 implementiert, das vor­ zugsweise ein über Schrittmotor angetriebenes Ventil mit einer variablen Mündung ist, um die Austrittsmenge an Kathodenabgas 28, die zu dem Brenner 34 geliefert wird, steuern zu können.
Bei dieser beispielhaften Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung verläuft der Betrieb des Brenners wie folgt. Zu Beginn des Betriebs, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung kalt ist und startet: (1) wird der Kompres­ sor 30 durch einen Elektromotor angetrieben, der von einer externen Quelle (beispielsweise einer Batterie) gespeist ist, um die erforderliche Luft an das System zu liefern; (2) wird Luft in den Brenner 34 eingeführt und Kohlenwasserstoff-Brennstoff 46 (beispielsweise MeOH oder Benzin) in den Brenner 34 eingesprüht; (3) reagieren die Luft und der Brennstoff in dem Brenner 34, wobei eine im wesentlichen vollständige Verbrennung des Brennstoffes bewirkt wird; und (4) werden die heißen Abgase, die den Brenner 34 verlassen, an die gewählten Reaktoren 12 befördert, die mit dem Brennstoffprozessor 2 in Verbindung stehen.
Sobald die Reaktoren 12 in dem Brennstoffprozessor 2 eine erreichte an­ gemessene Temperatur aufweisen, beginnt der Reformationsprozeß und der Prozeß umfaßt wie folgt: (1) Ventil 32 wird aktiviert, um Luft an die Kathodenseite der Brennstoffzelle 22 zu führen; (2) Brennstoff und Wasser werden an den Brennstoffprozessor 2 zugeführt, um die Reformationsre­ aktion zu beginnen; (3) Reformat, das den Brennstoffprozessor 2 verläßt, wird an die Anodenseite der Brennstoffzelle 22 zugeführt; (4) Anodenab­ fluß 26 von der Brennstoffzelle 22 wird in den Brenner 34 geführt; (5) Kathodenabfluß 28 von der Brennstoffzelle 22 wird in den Brenner 34 ge­ führt; (6) der Brennstoff, Luft, Kathodenabfluß 28 und Anodenabfluß 26 werden in dem Brenner 34 verbrannt. Bei einer bevorzugten Sequenz wird Schritt (2) zunächst zusammen mit der Lieferung von Luft direkt zu dem Brenner implementiert. Anschließend werden, wenn der wasserstoffreiche Strom angemessen niedrige CO-Niveaus aufweist, die Schritte (1) und (3) gefolgt durch die Schritte (4), (5) und (6) implementiert.
Unter bestimmten Bedingungen könnte der Brenner 34 ausschließlich mit den Anoden- und Kathoden-Abflüssen ohne Erfordernis für zusätzlichen Kohlenwasserstoff-Brennstoff 46 arbeiten. Unter diesen Bedingungen ist die Brennstoffeinspritzung zu dem Brenner 34 unterbrochen. Unter ande­ ren Bedingungen, beispielsweise erhöhten Leistungsanforderungen, wird Brennstoff 46 vorgesehen, um den AAUS (26) zu dem Brenner 34 zu ergän­ zen. Es ist zu sehen, daß der Brenner 34 mehrere Brennstoffe aufnimmt, wie beispielsweise einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff wie auch Anoden­ abfluß 26 von der Anode der Brennstoffzelle 22. Sauerstoffabgereicherte Abgasluft 28 von der Kathode der Brennstoffzelle 22 und Luft von dem Kompressor 30 werden auch an den Brenner 34 geliefert.
Gemäß dem Beispiel des vorliegenden Brennstoffzellensystemes steuert eine Steuerung 150, die in Fig. 1 gezeigt ist, verschiedene Aspekte des Betriebs des in Fig. 1 gezeigten Systems. Die Steuerung 150 kann einen geeigneten Mikroprozessor, Mikrocontroller, Personalcomputer, etc. um­ fassen, der eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU) aufweist, die in der La­ ge ist, ein Steuerprogramm und in einem Speicher gespeicherte Daten auszuführen. Die Steuerung 150 kann eine zweckbestimmte Steuerung sein, die für eine der Komponenten in Fig. 1 spezifisch ist, oder kann als Software implementiert sein, die in dem elektronischen Hauptfahrzeug­ steuermodul gespeichert ist. Ferner sei, obwohl auf Software basierende Steuerprogramme zur Steuerung von Systemkomponenten in verschiede­ nen Betriebsmoden, wie oben beschrieben ist, verwendbar sind, zu verste­ hen, daß die Steuerung auch in Teilen oder im Ganzen durch eine zweck­ bestimmte elektronische Schaltung implementiert sein kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform verwendet das Brennstoffzellen­ system die Brennstoffzelle 22 als Teil eines Fahrzeugantriebssystems 60 (Fig. 2). Hier umfaßt ein Abschnitt des Antriebssystems 60 eine Batterie 62, einen Elektromotor 64 und eine zugeordnete Antriebselektronik in der Form eines Inverters 65, der derart aufgebaut und angeordnet ist, um elektrische Energie von einem DC/DC-Wandler 61 aufnehmen zu können, der dem Brennstoffzellensystem und insbesondere Brennstoffzelle 22 zu­ geordnet ist, und um diese in durch den Motor 64 erzeugte mechanische Energie umzuwandeln. Die Batterie 62 ist derart aufgebaut und angeord­ net, um elektrische Energie aufnehmen und speichern zu können, die von der Brennstoffzelle 22 geliefert wird, und um elektrische Energie aufneh­ men und speichern zu können, die von dem Motor 64 während einer Rückarbeitsbremsung geliefert wird, und um elektrische Energie an den Motor 64 liefern zu können. Der Motor 64 ist mit einer Antriebsachse 66 gekoppelt, um Räder eines Fahrzeugs (nicht gezeigt) zu drehen. Ein elek­ trochemisches Motorsteuermodul (EECM) 70 und ein Batteriepaketmodul (BPM) 71 überwachen verschiedene Betriebsparameter, die beispielsweise die Spannung und den Strom des Stapels umfassen können. Beispielswei­ se wird dies durch das Batteriepaketmodul (BPM) 71 oder durch das BPM 71 zusammen mit dem EECM 70 durchgeführt, um ein Ausgangssignal (Nachricht) an die Fahrzeugsteuerung 74 auf der Grundlage von Bedin­ gungen zu senden, die durch das BPM 71 überwacht werden. Die Fahr­ zeugsteuerung 74 steuert den Elektromotor 64, den Inverter 65, den DC/DC-Wandler 61 und fordert ein Energieniveau von dem EECM 70.
Die Gasströmungen (H2 und Luft) an die Brennstoffzelle 22 und den Brenner 34 in dem Brennstoffzellensystem von Fig. 1 sind für einen Start- und Laufmodus beschrieben worden. Derartige Systeme besitzen auch ei­ nen Abschaltmodus, bei dem die Gasströmungen an die Brennstoffzelle 22 umgelenkt und schließlich beendet werden, beispielsweise, wenn ein Fahrzeug, das das Brennstoffzellensystem zum Antrieb verwendet, abge­ schaltet wird. Diese Umlenkung und Beendigung der Gasströmung wird durch die vorher dargestellten Ventile 31 und 32 für die H2- bzw. Luft­ strömungen erreicht. Bei dem veranschaulichten System zum Fahrzeug­ antrieb nehmen die Ventile 31 und 32 typischerweise die Form von Bypassventilen für Kraftfahrzeuge an, die gewöhnlich solenoidbetätigte Kugelhähne mit einem Rohrdurchmesser von etwa 1 bis 1½ Inch sind.
Diese sind allgemein Dreiwegeventile (ein Eingang, zwei mögliche Ausgän­ ge), deren Funktion die Umgehung der Strömung von H2 und Luft von der Brennstoffzelle 22 an den Brenner 34 während des Abschaltens umfaßt.
Eine Luftströmung an den Brenner durch Ventil 32 verhindert, daß sich der Brenner überhitzt, wenn dieser das restliche H2, das von dem Ventil 31 umgelenkt wird, und den Abfluß verbrennt, der von dem Anodenauslaß der Brennstoffzelle 22 gedrosselt wird. Eine kontinuierliche Luftströmung unterstützt dann ein Abkühlen des Brenners, nachdem das gesamte rest­ liche H2 verbrannt worden ist. Eine typische Betriebstemperatur für einen Brenner, der in einer Brennstoffzellenvorrichtung des in Fig. 1 gezeigten Typs verwendet wird, beträgt 600°C. Eine Überhitzung kann den Brenner schädigen, was teure Reparaturen oder einen teuren Ersatz erforderlich macht. Demgemäß muß während der Abschaltprozedur der Lieferung von ausreichend Luftströmung an den Brenner beim Abschalten Priorität ge­ geben werden, um sowohl eine konstante Temperatur zum Verbrennen der Reste beizubehalten als auch zum Abkühlen des Brenners.
Die in Fig. 1 gezeigte Steuerung 150, die durch das nicht beschränkende Beispiel mit der BPM 71 und/oder der EECM 70 implementiert sein kann, überwacht den Betrieb des Brennstoffzellensystemes bezüglich Drücken, Temperaturen, Startzeiten, Zyklen, etc. und erzeugt laufend Abschaltan­ weisungen in Ansprechen auf gewählte Übergangsbedingungen des Sy­ stemes zur Übertragung in eine Algorithmenlogik (siehe Fig. 2A).
Die Systemabschaltsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung kann entweder als Hardware oder Software implementiert sein. Vorzugsweise ist die Steuerung als Software als Teil des Steuerprogrammes in der Steue­ rung 150 implementiert. Fig. 2A ist eine beispielhafte Darstellung der Steuerung als eine Logikschaltung, wie in der U. S. Patentanmeldung, Se­ riennr. 09/345,139 [H-204426] [GMFC-4426] offenbart ist, die mit der vorliegenden Anmeldung dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmel­ dung gehört. Die Logik in Fig. 2A überprüft jedes Abschaltanweisungs­ signal, das von der Steuerung 150 empfangen wird und führt eine Be­ stimmung oder eine Unterscheidung bezüglich dessen durch, ob die Ab­ schaltanweisung als eine Schnellabschaltanweisung oder eine Normalab­ schaltanweisung angesehen werden soll. Die Unterscheidung betrifft die Überprüfung von Kriterien, die kurz in Fig. 2A dargestellt sind und detail­ liert in der oben angeführten und ebenfalls anhängigen Anmeldung be­ schrieben sind. Die Einzelheiten der Entscheidung für eine Schnellab­ schaltanweisung und Signalerzeugung sind für die vorliegende Erfindung nicht kritisch, deren gestufte Entlüftungsverfahren und Entlüftungsven­ tilanordnungen mit vielen verschiedenen Formen von Anweisungsschemen für die Schnellabschaltung verwendbar sind.
Eine Schnellabschaltung umfaßt eine erheblich kürzere Dauer als eine normale Abschaltung. In dem Fall einer Schnellabschaltung kann die Standardkraftfahrzeugbypassventileinrichtung 31, 32 von Fig. 1 ohne eine teure Modifikation die erwünschte Ansprechzeit nicht vorsehen. Bypass­ ventile 31 und 32 vom Kraftfahrzeugtyp sind relativ klein und bewegen sich langsam in die Bypassstellung (beispielsweise ein bis fünf Sekunden). Ein Weg zur Bildung einer Schnellabschaltung bestünde darin, die Größe und Geschwindigkeit von Ventilen 31 und 32 zu erhöhen. Wenn die Ven­ tile 31 und 32 elektrische Ventile sind, würde ein schnellerer Ventilbetrieb einen größeren Solenoidaktuator erfordern. Wenn die Ventile 31 und 32 pneumatische Ventile sind, würde ein schnellerer Ventilbetrieb größere Membranaktuatoren erfordern. In beiden Fällen ist jedoch der Austausch von größeren, teureren Ventilen für Hochleistungskraftfahrzeuganwen­ dungen einfach nicht praktisch. Außerdem können größere Ventile mehr elektrische Leistung oder Luftdruck erfordern, als an einem gegebenen Fahrzeug leicht erhältlich ist.
Zusätzlich zu der Betrachtung der Geschwindigkeit, mit der die Bypass­ ventile in einer Schnellabschaltsituation wirken, muß auch stets berück­ sichtigt werden, eine Schädigung des Brennstoffzellenstapels zu vermei­ den, da die Kohlenmonoxidkonzentration während der Abschaltung zu ei­ nem Anstieg neigt.
Auch können die relativ zerbrechlichen Membrane in dem Stapel erhebli­ che Druckunterschiede zwischen den Kathoden- und Anodengasen für längere Perioden, wie beispielsweise mehr als fünf Sekunden, nicht tole­ rieren. Es ist bevorzugt, einen erheblichen Druckunterschied über dem Stapel während der Betriebsperiode der Umgebungsventileinrichtung, wie beispielsweise 31 und 32, die typischerweise eins bis fünf Sekunden be­ trägt, zu vermeiden.
Die Fig. 3-6 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens und der bevorzugten Entlüftungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung zur Verwendung mit einem System, wie beispielsweise demjenigen, das in Fig. 1 gezeigt ist. Es sei zu verstehen, daß die Fig. 3-6 vereinfachte Darstel­ lungen auf Grundlage des in Fig. 1 gezeigten Systemes sind. Fig. 7 ist eine Darstellung eines Flußdiagrammes des Entlüftungsverfahrens, das durch die Ventilstellungen in den Fig. 3-6 dargestellt ist. Fig. 8 zeigt das Brenn­ stoffzellensystem von Fig. 1, zu dem eine Entlüftungsventileinrichtung hinzugefügt wurde, um das gestufte Entlüftungsverfahren der vorliegen­ den Erfindung auszuführen. Fig. 6A zeigt eine alternative Ausführungs­ form des Systemes der Fig. 3-6, die einen druckbeständigen Brennstoff­ zellenstapel annimmt. Die Erfindung läßt eine Schnellabschaltung des Brennstoffzellensystemes unter Verwendung von langsam wirkenden Standardkraftfahrzeugbypassventilen 31 und 32 zu, während bei der Ab­ schaltung eine angemessene Kühlluft an den Brenner vorgesehen und die Brennstoffzelle 22 von einer Kohlenmonoxidschädigung und längeren Druckunterschieden geschützt wird.
In Fig. 3 ist ein Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung vor einer Schnellabschaltung gezeigt. Die Darstellung des Brennstoffzellensystemes von Fig. 3 ist eine vereinfachte Version derjenigen, die in Fig. 1 gezeigt ist, wobei Gasströme, der Ventilbetrieb und zusätzliche Entlüftungsventilein­ richtungen zur Ausführung der Erfindung hervorgehoben sind. Die zu­ sätzliche Entlüftungsventileinrichtung ist gezeigt als: Entlüftungsventil 80 in der Leitung oder der Weg 20, der H2 von der Versorgung 2 durch Bypassventil 31 an den Anodeneinlaß 22a liefert, Entlüftungsventil 82 in der Leitung oder dem Weg, der H2 von der Versorgung 2 durch Bypass­ ventil 31 an den Brenner 34 liefert, eine brennbare Entlüftung 84, die entlüftetes H2 von den Entlüftungsventilen 80 und 82 aufnimmt, ein Ent­ lüftungsventil 86 in der Leitung oder dem Weg 24, der Luft von der Ver­ sorgung 30 durch das Bypassventil 32 an den Kathodeneinlaß 22b liefert und eine Oxidationsmittelentlüftung 88 zur Aufnahme von Luft, die von dem Entlüftungsventil 86 entlüftet wird. Es kann eine optionale Rück­ schlagventileinrichtung 90, 92 zwischen dem Anodenauslaß 22c und dem Kathodenauslaß 22d und dem Brenner vorgesehen sein, um einen Rück­ fluß in den Strömungswegen zu verhindern.
Bei einer bevorzugten Form sind die Entlüftungsventile 80, 82 und 86 schnell wirkende Solenoidentlüftungen. Die brennbare Entlüftung 84 und die Oxidationsmittelentlüftung 88 können einfach an die Atmosphäre austragen und werden getrennt gehalten, um die Bildung einer brennba­ ren Mischung von H2 und Luft in dem System während des Entlüftungs­ prozesses zu vermeiden.
Es sei angemerkt, daß, obwohl die Entlüftungsventile 80, 82 und 86 schnell wirkende, nahezu sofort öffnende Ventile sind, ihre einfache Ein­ wegbeschaffenheit ermöglicht, daß diese kleiner als die komplizierteren Mehrwegbypassventile 31 und 32 sein können. Die neue Entlüftungsven­ tileinrichtung bringt daher keine signifikanten Nachteile mit sich, was den Leistungsverbrauch oder die Größe an dem Brennstoffzellensystem oder einem zugeordneten Fahrzeugsystem betrifft.
Es sei auch angemerkt, daß, obwohl Entlüftungen 84 und 88 vorzugswei­ se einen einfachen Austrag an die Atmosphäre vorsehen, diese auch ande­ re Formen annehmen können, wie beispielsweise Speichertanks, Adsor­ berbetten und andere bekannte Vorrichtungen zur Speicherung oder zur Handhabung von Gasströmungen.
Fig. 4 zeigt das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung gerade nach­ dem die Steuerung 150 den Bedarf für eine Schnellabschaltung bestimmt und geeignete Steuersignale an das Brennstoffzellensystem gesandt hat. Die beiden Ventile 31 und 32 werden angewiesen, die Brennstoffzelle 22 "zu umgehen" und beginnen, sich über ihre vorbestimmte Zeitperiode zu schließen. Gerade davor oder gleichzeitig damit werden die Anodenent­ lüftungssolenoide 80 und 82 angewiesen, sich zu öffnen, und dies wird auf eine Art und Weise durchgeführt, die im Vergleich zu den Schließzei­ ten der Bypassventile 31 und 32 als sofort bezeichnet werden kann. Die Offenstellung ist in Fig. 4 durch die offene Kreise gezeigt, die den Ort der Entlüftungsventile 80 und 82 darstellen.
In Fig. 5 sind die Bypassventile 31 und 32 teilweise geschlossen und die Anodenentlüftungen 80 und 82 haben Wasserstoff bereits vollständig von dem Anodeneinlaß 22a entlüftet. Die Kathodeneinlaßentlüftung 86 bleibt geschlossen. Luft strömt kontinuierlich zu dem Brenner 34 durch die Brennstoffzelle 22 über den Kathodeneinlaß 22b, den Kathodenauslaß 22d und den Weg 28. An diesem Punkt befindet sich die Anodenseite der Brennstoffzelle 22 bei nahezu barometrischem Druck, aber die Kathoden­ seite der Brennstoffzelle liegt bei dem relativ hohen Druck der Luftversor­ gung. Da dieser Zustand weniger als fünf Sekunden angehalten hat, ist der Druckunterschied nicht lang genug, um die Membrane in dem Brenn­ stoffzellenstapel zu schädigen.
In Fig. 6 sind die Bypassventile 31 und 32 vollständig geschlossen, d. h. sie haben H2 und Luft von dem Brennstoffzellenstapel 22 vollständig um­ gelenkt und sind nun nur zu dem Brenner 34 durch Leitungen 20a bzw. 24a offen. Kurz bevor oder gleichzeitig mit dem Schließen des Kathoden­ bypassventiles 32 wird das Kathodeneinlaßentlüftungsventil 86 angewie­ sen, sich zu öffnen, und entlüftet den angesammelten Luftdruck auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels sofort an die Oxidationsmit­ telentlüftung 88. Dies beseitigt den Druckunterschied über dem Brenn­ stoffzellenstapel, wodurch die Membrane vor einem Bruch geschützt wer­ den.
Das Verfahren der gerade unter Bezugnahme auf die Fig. 3-6 beschrie­ benen gestuften Entlüftung ist in dem Flußdiagramm in Fig. 7 Schritt für Schritt dargestellt.
Während der Schnellabschaltung nimmt der Brenner 34 ausreichend Luftströmung auf, um zunächst eine Überhitzung zu verhindern, wenn er das restliche H2 verbrennt und dann, um abzukühlen, sobald das gesamte restliche H2 verbrannt ist. Allgemein muß das Entlüftungsventil 86 ge­ schlossen bleiben, bis das Kathodenbypassventil 32 beinahe oder voll­ ständig geschlossen ist, da es ansonsten die Kühlluft weg von dem Bren­ ner 34 entziehen oder abziehen würde.
Die Öffnung der Kathodeneinlaßentlüftung 86 befreit den Stapel nicht nur von dem Druckunterschied, sondern sie entlüftet in dem Fall, wenn eine Membran in dem Stapel bricht, H2 oder "durchgebrochenes" Methanol von dem Stapel weg von dem Brenner.
Abhängig von dem Brennerbetrieb während des normalen Laufmodus der Brennstoffzellenvorrichtung kann die Strömung an Kühlluft an den Bren­ ner während der Abschaltung mit der vorangehenden Erfindung tatsäch­ lich ansteigen. Beispielsweise kann das Luftströmungsverhältnis von Ka­ thode/Brenner während des Laufmodus 100/0 oder 80/20 betragen. Wenn das Kathodenbypassventil 32 beginnt, sich während einer Schnellabschaltung zu schließen, verschiebt sich dieses Verhältnis all­ mählich: 80/20; 50/50; 20/80; bis es schließlich 0/100 erreicht, wobei an diesem Punkt der Stapel von der Luftversorgung umgangen wird und der Brenner die gesamte Luft aufnimmt, die durch die Luftversorgung zur Re­ steverbrennung und Kühlung erzeugt wird.
Die vorhergehende Erfindung zieht ihren Vorteil aus der Fähigkeit, daß die Membrane des Brennstoffzellenstapels eine kurze Periode eines relativ ho­ hen Druckunterschiedes an der Kathode tolerieren können, um während einer Schnellabschaltung ausreichend Kühlluft an den Brenner 34 sicher­ zustellen. Jedoch kann es, da die Brennstoffzellenentwicklung fortschrei­ tet und da Systeme, die druckbeständiger sind oder bei niedrigeren Drüc­ ken arbeiten können, eingeführt werden, möglich werden, die Erfindung ohne Kathodenbypassventil 32 und Bypassweg 24 zu verwenden. In Fig. 6A ist ein Brennstoffzellensystem veranschaulicht, das ähnlich zu demje­ nigen ist, das in den Fig. 3-6 gezeigt ist und das einen Brennstoffzellen­ stapel annimmt, der die Kathodenluftströmung ohne Anodengasströmung handhaben kann. Das System von Fig. 6A nimmt auch eine Membran an, die einen längeren Druckunterschied aushalten kann und gegenüber einer Membranaustrocknung beständig ist, die mit einer kontinuierlichen Luft­ strömung auftritt, wenn keine elektrische Anforderung an den Stapel be­ steht. Unter Annahme einer derartigen Brennstoffzelle ist das gestufte Entlüftungsverfahren der Erfindung für die Brennstoffzellenvorrichtung immer noch wichtig, um (1) ausreichend Kühlluft an den Brenner 34 bei­ zubehalten, und (2) die Kathodenseite der Brennstoffzelle zu entlüften, wenn eine Stapelmembranschädigung auftritt, wodurch Wasserstoff ent­ lüftet wird, der an die Kathodenseite leckt, und verhindert wird, daß Luft an die Anodenseite lecken kann. Bei einer derartigen Anordnung bleibt das (H2)-Kathodenentlüftungsventil 86 solange geschlossen, bis der ge­ samte Brennstoff entlüftet oder von dem System verbrannt ist, und dann wird die Kathodenseite des Stapels an Entlüftung 88 entlüftet. Nach der Entlüftung wird das Kathodenentlüftungsventil 86 für eine Langzeitab­ kühlung des Brenners und des Brennstoffprozessors geschlossen.
Es wird aus den vorhergehenden Beispielen des Verfahrens und der Vor­ richtung der vorliegenden Erfindung verständlich, daß ein bestimmtes Verfahren und eine bestimmte Ventilanordnung für ein exemplarisches Brennstoffzellensystem veranschaulicht ist. Die spezifische Ventilanord­ nung, der Ort der Ventile, die verwendeten Ventiltypen und Entlüftungen, die relativen Geschwindigkeiten der Ventile und ihre Schließfunktion rela­ tiv zueinander können abhängig von der Brennstoffzellenvorrichtung, auf die die Erfindung angewendet wird, variieren. Derartige Variationen und Modifikationen können nun, nachdem unsere Erfindung in der obigen Ausführungsform offenbart ist, ohne übermäßige Untersuchungen durch­ geführt werden. Die vorhergehende Beschreibung ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung jenseits des Schutzumfanges der folgenden Ansprüche zu begrenzen.

Claims (11)

1. Verfahren zur Entlüftung eines Brennstoffzellensystems, das zum Betrieb eines Fahrzeugantriebssystems dient und einen Brennstoff­ zellenstapel mit Anoden- und Kathodeneinlässen, eine H2-Versorgung und eine Luftversorgung umfaßt, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, daß:
ein Anodenbypassventil, das selektiv eine Verbindung zwischen der H2-Versorgung und dem Anodeneinlaß zuläßt, und ein Katho­ denbypassventil vorgesehen wird, das selektiv eine Verbindung zwi­ schen der Luftversorgung und dem Kathodeneinlaß zuläßt;
der Anodeneinlaß sofort entlüftet wird;
die Anoden- und Kathodenbypassventile aktiviert werden, um H2- und Luftströme von den Anoden- bzw. Kathodeneinlässen über eine vorbestimmte Zeitperiode entsprechend einer Zeitperiode umzulen­ ken, während der der Brennstoffzellenstapel einen Druckunterschied aushalten kann, und
der Kathodeneinlaß sofort entlüftet wird, nachdem das Kathoden­ bypassventil den größten Teil oder die gesamte Luftströmung von dem Kathodeneinlaß umgelenkt hat.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Anodenbypassventil einen selektiv schließbaren ersten Strömungsweg zu dem Anodeneinlaß und einen zweiten Strömungsweg zu dem Brenner definiert, und der Schritt zur sofortigen Entlüftung des Anodeneinlasses den Schritt umfaßt, daß der erste Strömungsweg sofort entlüftet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kathodenbypassventil einen selektiv schließbaren ersten Luftströmungsweg zu dem Kathoden­ einlaß und einen zweiten Luftströmungsweg zu dem Brenner defi­ niert, und der Schritt zur Entlüftung des Kathodeneinlasses den Schritt umfaßt, daß der erste Luftströmungsweg entlüftet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Zeitperiode etwa eins bis fünf Sekunden beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt, daß eine Strö­ mung von dem Brenner zu dem Anodenauslaß während der Schnellabschaltung verhindert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt, daß eine Strö­ mung von dem Brenner zu dem Kathodenauslaß während der Schnellabschaltung verhindert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt zum sofortigen Ent­ lüften des Anodeneinlasses ferner den Schritt umfaßt, daß der zweite Strömungsweg gleichzeitig mit dem ersten Strömungsweg entlüftet wird.
8. Verfahren zur Schnellabschaltung eines Brennstoffzellensystemes mit einem Brennstoffzellenstapel, der Anoden- und Kathodeneinlässe und -auslässe, einen Brenner, eine H2-Versorgung in Gasströmungsver­ bindung mit dem Anodeneinlaß und dem Brenner und eine Luftver­ sorgung in Gasströmungsverbindung mit dem Kathodeneinlaß und dem Brenner umfaßt, wobei sich der Brenner für Kühlluftströmung hauptsächlich auf die Luftversorgung verläßt, das die folgenden Schritte umfaßt:
daß die Gasströmung von der H2-Versorgung an den Anodenein­ laß über eine vorbestimmte Zeitperiode umgangen wird;
der Anodeneinlaß vor oder am Beginn der vorbestimmten Zeitpe­ riode sofort entlüftet wird; und
der Kathodeneinlaß nach der vorbestimmten Zeitperiode zeitweilig entlüftet wird und dann die Kathodeneinlaßentlüftung für eine Bren­ nerabkühlungsperiode geschlossen wird, die länger als die vorbe­ stimmte Zeitperiode ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Luftversorgung zu dem Bren­ ner durch den Kathodeneinlaß erfolgt.
10. Entlüftungssystem zur Schnellabschaltung eines Brennstoffzellensy­ stemes mit einem Brennstoffzellenstapel, der Anoden- und Kathoden­ einlässe und -auslässe, einen Brenner, eine H2-Versorgung in Gasströmungsverbindung mit dem Anodeneinlaß und dem Brenner und eine Luftversorgung in Gasströmungsverbindung mit dem Ka­ thodeneinlaß und dem Brenner umfaßt, wobei sich der Brenner für Kühlluftströmung hauptsächlich auf die Luftversorgung verläßt, mit:
einem Anodenbypassventil, das selektiv eine Gasströmungsver­ bindung zwischen der H2-Versorgung und dem Anodeneinlaß und dem Brenner vorsieht, wobei das Anodenbypassventil eine relativ niedrige Betriebsgeschwindigkeit aufweist; in der es den Anodenein­ laß über eine vorbestimmte Zeitperiode umgeht;
einer ersten sofortigen Anodenentlüftung;
einer zweiten sofortigen H2-Versorgungsentlüftung;
einer dritten sofortigen Kathodeneinlaßentlüftung; und
einer Steuerung zur Aktivierung der ersten und zweiten sofortigen Entlüftungen und des Anodenbypassventils in Ansprechen auf eine Schnellabschaltung des Brennstoffzellensystemes und zur Aktivie­ rung der dritten sofortigen Entlüftung bei annähernd dem Ende der vorbestimmten Zeitperiode.
11. System nach Anspruch 10, ferner mit einem Kathodenbypassventil, das selektiv eine Gasströmungsverbindung zwischen der Luftversor­ gung und dem Kathodeneinlaß und dem Brenner vorsieht und wobei ferner die Steuerung das Kathodenbypassventil in Ansprechen auf die Schnellabschaltanweisung aktiviert.
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