DE102004031163B4

DE102004031163B4 - Fluiddurchflusssystem und Verfahren zum Regeln einer PEM-Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102004031163B4
Application number: DE102004031163A
Authority: DE
Inventors: Volker Formanski; Thomas Herbig
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: General Motors LLC
Priority date: 2003-07-21
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2024-06-29
Also published as: US7258937B2; DE102004031163A1; US20050019640A1

Abstract

Fluiddurchflusssystem zum Einstellen einer Feuchte eines in ein Brennstoffzellensystem gelieferten Gases, mit:
einem Brennstoffzellenstapel (12) mit einem Kathodeneinlass und einem Kathodenauslass;
einem Kompressor (22), der eine Mischung aus frischem Gas und befeuchtetem Abgas von dem Kathodenaustrag einzieht und die Mischung darin komprimiert;
einer Zumessvorrichtung (34), die einen Abgasstrom von dem Kathodenaustrag einstellt;
einer Einspritzeinrichtung (30), die Wasser in die Mischung in dem Kompressor (22) einspritzt, wobei der Kompressor (22) die Mischung an den Kathodeneinlass liefert; und
einer Steuerung (40), die die Zumessvorrichtung (34), die Einspritzeinrichtung (30) und den Kompressor (22) steuert, um die Feuchte einzustellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere die Regulierung der Feuchte eines an eine Kathodenseite einer Brennstoffzelle gelieferten Gases.
Bei Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen, protonendurchlässigen, nicht elektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran, die auf einer Seite den Anodenkatalysator und auf der gegenüberliegenden Seite den Kathodenkatalysator aufweist.
Die Leistungsfähigkeit der PEM-Brennstoffzelle ist unter anderem abhängig von lokalen Befeuchtungsgraden der PEM. Eine trockene PEM hat eine erheblich verringerte Leistungsfähigkeit zur Folge. Eine ernsthafte Dehydrierung der PEM-Brennstoffzelle kann einen irreversiblen Schaden an der MEA bewirken. Demgemäß ist die Feuchtesteuerung von PEM-Brennstoffzellen wichtig. Die Lieferung der Brennstoffzellenreaktanden, nämlich der Anoden- und Kathodengase, erfordert eine richtige Konditionierung der Feuchte, Temperatur und des Druckes.
Für die Kathodenseite ist herkömmlich ein Kompressor oder ein Gebläse vorgesehen, mit dem der geeignete Kathodengasdruck erreicht wird und der bzw. das das Kathodengas durch das Brennstoffzellensystem hindurch antreibt. Es ist auch ein Kühler vorgesehen, der das komprimierte Kathodengas auf eine geeignete Betriebstemperatur kühlt. Auch ist herkömmlich eine Befeuchtungseinrichtung vorgesehen, mit der die erforderliche Kathodengasfeuchte erreicht wird.
Die zusätzliche Ausstattung zur Konditionierung des Kathodengases erhöht sowohl die Kosten als auch die Komplexität des Brennstoffzellensystems und besetzt zusätzlich bei vielen Anwendungen, wie beispielsweise bei einem Fahrzeug, wertvollen Raum. Ferner ist es mit der herkömmlichen Befeuchtungsausstattung nicht möglich, eine optimale Kathodengasbefeuchtung zu erreichen, ohne dass auch andere Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems nachteilig beeinflusst werden.
Die EP 0 629 013 B2 offenbart eine Vorrichtung zur Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems, die einen Brennstoffstapel mit einem Kathodeneinlass und einem Kathodenauslass und einen Kompressor, der ein Kathodengas komprimiert, aufweist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die zusätzliche Ausstattung eines Brennstoffzellensystems zu vermindern und die Konditionierung eines Kathodengases wirksamer und effizienter zu machen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Regulieren einer relativen Feuchte eines an eine Kathodenseite eines Brennstoffzellenstapels gelieferten Gases vor. Das Verfahren umfasst, dass ein Rückführgasdurchfluss von der Kathodenseite zu einem Kompressor gesteuert wird, um die relative Feuchte des Gases einzustellen. In dem Kompressor wird Wasser verdampft, um die relative Feuchte des Gases weiter einzustellen. Das Gas wird mit einem Druck ausgetragen, der zur Verwendung in dem Brennstoffzellenstapel ausreichend ist.
Bei einer Ausführungsform wird Wasser in den Kompressor eingespritzt.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Verdampfung unter Verwendung von Wärme erreicht, die durch Kompression erzeugt wird. Ein Kompressionsdruck des Kompressors wird auf Grundlage einer Menge des darin zu verdampfenden Wassers eingestellt.
Bei einer anderen Ausführungsform wird optional die Strömung von Rückführgas verwendet.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform wird die relative Feuchte auf einem Zielwert gehalten.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Rückführgas gesättigt.
Bei einer anderen Ausführungsform ist das Rückführgas übersättigt.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei angemerkt, dass die detaillierte Beschreibung wie auch die spezifischen Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen, nur zu Veranschaulichungszwecken und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 ein Funktionsblockschaubild eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle und einem Kompressor ist;
2 ein Diagramm ist, das Kennlinien des Kompressors auf Grundlage der Systemlast zeigt;
3 ein Diagramm ist, das eine Austragstemperaturkurve des Kompressors auf Grundlage der Systemlast zeigt;
4 ein Diagramm ist, das die Kennlinien des Brennstoffzellensystems auf Grundlage einer relativen Feuchtezunahme, die auf eine Rückführgasströmung zurückzuführen ist, zeigt; und
5 ein Diagramm ist, das zusätzliche Kennlinien des Brennstoffzellensystems auf Grundlage der relativen Feuchtezunahme, die auf die Rückführgasströmung zurückzuführen ist, zeigt.
Die vorliegende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung oder ihren Gebrauch zu beschränken.
In 1 ist ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 10 gezeigt, das einen Brennstoffzellenstapel 12 umfasst. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffquelle 14, die Brennstoff liefert.
Die Menge an Luft kann je nachdem, wie es die Konstruktionsanforderungen vorgeben, variieren.
Ein Oxidationsmittel wird an den Brennstoffzellenstapel 12 geliefert, das mit dem wasserstoffreichen Reformat katalytisch reagiert. Typischerweise ist das Oxidationsmittel sauerstoffreiche Luft, die durch den Kompressor 22 geliefert wird. Die Luft wird an den Brennstoffzellenstapel 12 geliefert. Die geeignete Feuchte der Luft wird während der Kompression in dem Kompressor 22 erreicht.
Der Kompressor 22 kann einer von mehreren verschiedenen Typen von bekannten Kompressoren sein, die zum Beispiel Kolbenkompressoren, Schraubenkompressoren, Spiralkompressoren bzw. -verdichter oder Scheibenkompressoren umfassen können. Der Kompressor 22 umfasst eine Kompressionskammer (nicht gezeigt), einen Ansaugeinlass 26, einen Austragsauslass 28 wie auch eine Wassereinspritzeinrichtung bzw. einen Wasserinjektor 30. Die Luft wird in den Kompressor 22 durch den Ansaugeinlass 26 eingezogen, in der Kompressionskammer komprimiert und durch den Austragsauslass 28 an den Brennstoffzellenstapel 12 ausgetragen. Die Luft wird mit einer gewünschten Temperatur und einem gewünschten Druck zur Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel 12 ausgetragen.
Das Wasser wird von einem Wasserseparator bzw. Wasserabscheider 24 an die Wassereinspritzeinrichtung 30 geliefert. Das Wasser wird in die Kompressionskammer als Sprühnebel bzw. Wasserstaub eingespritzt bzw. zugeführt. Das Wasser wird in der Kompressionskammer durch die Kompressionswärme verdampft. Auf diese Art und Weise wird die Feuchte der ausgetragenen Luft reguliert. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, beschränkt der Wassereinspritzprozess allein jedoch andere Aspekte des Betriebs des Brennstoffzellensystems.
In den 2 und 3 sind typische Kompressorkennlinien zum Betrieb bei einer bestimmten relativen Feuchte (RH_Kath,ein) für den Kathodeneinlass, einem bestimmten Austragsdruck (p_Austrag) und einer bestimmten Kathodenstöchiometrie (λ_Kath) gezeigt. Die Kompressorkennlinien umfassen einen Kathodenzufuhrgasdurchsatz (g/s), einen Kompressorwirkungsgrad (%), eine Kompressorleistung (kW), eine Kompressoraustragstemperatur (°C) wie auch einen Kathodeneinlass- Taupunkt (°C). Das Kathodenzufuhrgas nimmt linear mit der Brennstoffzellensystemlast zu. Der Kompressorwirkungsgrad steigt bis zu einem Punkt an und bleibt dann ziemlich konstant. Das Ziel eines optimierten Brennstoffzellensystems besteht darin, die internen elektrischen Anforderungen des Brennstoffzellensystems so niedrig wie möglich zu halten. Daher soll der Kompressorwirkungsgrad auf seinen höchsten Werten gehalten werden.
Mit dem Wassereinspritzen allein kann die Feuchte und die Austragstemperatur nur durch die Menge an Wasser, die in die Kompressionskammer eingespritzt wird, und die Druckeinstellung (den Kompressionsdruck) des Kompressors 22 reguliert werden. Der Kompressionsdruck beeinflusst den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10. Ferner ist der Austragsdruck durch den Verdampfungsprozess in der Kompressionskammer beschränkt. Dies verringert den Kompressionswirkungsgrad, da die Kompressorleistung das eingespritzte Wasser verdampfen muss.
Wie in 3 gezeigt ist, fällt in dem zentralen Systemlastbereich oder Betriebsbereich die Kompressoraustragstemperatur unter die Taupunkttemperatur, die erforderlich ist, um eine bestimmte relative Feuchte beizubehalten. Mit anderen Worten ist, da die theoretische Aus tragstemperatur unterhalb des Taupunktes liegt, keine vollständige Verdampfung des eingespritzten Wassers möglich, wodurch die relative Feuchte des Kathodengasdurchflusses geändert wird. Somit ist die Kompressorleistung nicht ausreichend, um in diesem Betriebsbereich eine vollständige Verdampfung zu erreichen. Es sei angemerkt, dass in diesem Betriebsbereich der maximale Kompressorwirkungsgrad erreicht wird. Die Verringerung des Kompressorwirkungsgrades infolge der Verdampfung wirkt dem Ziel entgegen, die internen elektrischen Anforderungen des Systems so niedrig wie möglich zu halten.
Um die Beschränkungen hinsichtlich der Befeuchtung durch Wassereinspritzung allein zu lösen, wird feuchtes Kathodenabgas durch eine Rückführleitung 32 an den Kompressor 22 zurückgeführt oder zurück umgewälzt. Die Rückführleitung 32 ist mit dem Saugeinlass 26 verbunden. Eine Zumessvorrichtung 34 steuert die Durchflussrate des Rückführgases zu dem Saugeinlass 26. Frische Luft und das Rückführgas werden in dem Saugeinlass 26 gemischt und in den Kompressor 22 gezogen. Das Rückführgas besitzt eine relative Feuchte von zumindest 100 %. Das Rückführgas stabilisiert den Wasserverdampfungsprozess in dem Kompressor 22 und sieht einen weiteren Parameter zur Regulierung der relativen Feuchte und Austragstemperatur vor. Beispielsweise kann durch eine Erhöhung des Rückführgasdurchflusses die Menge an eingespritztem Wasser verringert werden.
Eine Steuerung 40 steht mit dem Kompressor 22, der Einspritzeinrichtung 30 und der Zumessvorrichtung 34 in Verbindung. Die Steuerung 40 reguliert die relative Feuchte des an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 gelieferten Gases. Die Steuerung 40 steuert die Menge an in den Kompressor 22 eingespritzter bzw. eingeführter Luft. Die Steuerung 40 steuert den Kompressionsdruck des Kompressors 22 auf Grundlage der Menge an eingespritztem Wasser, um eine vollständige Verdampfung des Wassers zu erreichen. Der Kompressionsdruck kann auf eine Vielzahl von Arten bestimmt werden, wie zum Beispiel mit einer Nachschlagetabelle oder einer Berechnung auf Grundlage der Menge von in den Kompressor 22 eingespritztem Wasser. Ferner stellt die Steuerung 40 die Zumessvorrichtung 34 ein, um die Durchflussrate des Rückführgases an den Saugeinlass 26 zu steuern.
In den 4 und 5 sind Kennlinien für das Brennstoffzellensystem 10 basierend auf der relativen Feuchte gezeigt, die auf die Rückführgasströmung zurückzuführen ist. Es werden beispielhafte bestimmte Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 10 verwendet. Es sei angemerkt, dass diese Betriebsparameter lediglich beispielhafter Natur sind und variieren können, um so das Brennstoffzellensystem 10 nach Bedarf zu betreiben. Die Kennlinien der 4 umfassen einen Rückführgasmassendurchfluss, einen Gesamtkompressormassendurchfluss, eine Kompressoraustragstemperatur wie auch eine Taupunkttemperatur. Die zusätzlichen Kennlinien der 5 umfassen den Bruttoleistungsausgang des Brennstoffzellenstapels 12, den Nettoleistungsausgang des Brennstoffzellensystems 10 wie auch die Kompressorleistung.
Wie auch in 4 zu sehen ist, steigt die Kompressoraustragstemperatur, wenn der Rückführgasdurchfluss zunimmt. Ohne das Rückführgas ist die gewünschte relative Feuchte durch eine Wassereinspritzung alleine nicht erreichbar. Wie in 5 zu sehen ist, fällt die Kompressorleistung mit einem zunehmenden Rückführgasdurchfluss ab.
Obwohl die Kompressorleistung abfällt, fällt die Nettosystemleistung aufgrund des abnehmenden Bruttoleistungsausganges der Brennstoffzellen ab. Dies ist ein Ergebnis einer Verringerung des Wirkungsgrades des Brennstoffzellenstapels 12 aufgrund einer Verringerung des Partialdrucks von Sauerstoff in der Kathodenseite. Eine Zunahme des Rückführgasdurchflusses verringert entsprechend den Partialdruck von Sauerstoff in der Kathode. Der Einfluss des Rückführgases auf den Leistungsausgang ist jedoch in dem Bereich, der erforderlich ist, um eine stabile Feuchtigkeitssteuerung vorzusehen, ausreichend beschränkt.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht vom Schutzumfang der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung anzusehen. Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung anzusehen.
Zusammengefasst umfasst ein Verfahren zum Regulieren einer relativen Feuchte eines an eine Kathodenseite eines Brennstoffzellenstapels gelieferten Gases, dass ein Durchfluss von Rückführgas von der Kathodenseite zu einem Kompressor gesteuert wird, um die relative Feuchte des Gases einzustellen. Ein in den Kompressor eingespritztes Wasser wird in dem Kompressor verdampft, um die relative Feuchte des Gases weiter einzustellen. Das Gas wird bei einem Druck ausgetragen, der zur Verwendung in dem Brennstoffzellenstapel ausreichend ist. Wasser wird in den Kompressor eingespritzt. Die Verdampfung wird unter Verwendung von Wärme erreicht, die durch Kompression erzeugt wird. Ein Kompressionsdruck des Kompressors wird auf Grundlage einer Menge des Wassers eingestellt, um das Wasser darin zu verdampfen.

Claims

Fluiddurchflusssystem zum Einstellen einer Feuchte eines in ein Brennstoffzellensystem gelieferten Gases, mit: einem Brennstoffzellenstapel (12) mit einem Kathodeneinlass und einem Kathodenauslass; einem Kompressor (22), der eine Mischung aus frischem Gas und befeuchtetem Abgas von dem Kathodenaustrag einzieht und die Mischung darin komprimiert; einer Zumessvorrichtung (34), die einen Abgasstrom von dem Kathodenaustrag einstellt; einer Einspritzeinrichtung (30), die Wasser in die Mischung in dem Kompressor (22) einspritzt, wobei der Kompressor (22) die Mischung an den Kathodeneinlass liefert; und einer Steuerung (40), die die Zumessvorrichtung (34), die Einspritzeinrichtung (30) und den Kompressor (22) steuert, um die Feuchte einzustellen.
Fluiddurchflusssystem nach Anspruch 1, wobei eine Rate des Kathodenabgasdurchflusses gesteuert wird, um die Feuchte einzustellen.
Fluiddurchflusssystem nach Anspruch 1, wobei eine Menge an Wasser, das in den Kompressor (22) eingespritzt wird, gesteuert wird, um die Feuchte einzustellen.
Fluiddurchflusssystem nach Anspruch 1, wobei ein Kompressionsdruck des Kompressors (22) auf Grundlage einer Menge von in den Kompressor (22) eingespritztem Wasser eingestellt wird.
Fluiddurchflusssystem nach Anspruch 4, wobei der Kompressionsdruck so eingestellt wird, dass das Wasser während der Kompression verdampft wird.
Verfahren zum Regulieren einer Feuchte eines Kathodenversorgungsgases an eine Kathodenseite eines Brennstoffzellenstapels (12), umfassend, dass: das Kathodenversorgungsgas mit einer gesteuerten Menge des Rückführgases von der Kathodenseite gemischt wird, um eine relative Feuchte in dem Kathodenversorgungsgas zu bewirken, wobei die gesteuerte Menge des Rückführgases auf der Grundlage einer gewünschten relativen Feuchte des Kathodenversorgungsgases eingestellt wird; Wasser in das Kathodenversorgungsgas eingespritzt wird, um mehr relative Feuchte in dem Kathodenversorgungsgas zu bewirken; und das Kathodenversorgungsgas in einem Kompressor (22) komprimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Kathodenversorgungsgas Luft ist.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend, dass das Wasser in dem Kompressor (22) verdampft wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verdampfen unter Verwendung von Wärme erreicht wird, die durch Kompression erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend, dass ein Kompressionsdruck des Kompressors (22) auf Grundlage einer Menge des Wassers eingestellt wird, um das Wasser darin zu verdampfen.
Verfahren zum Regulieren einer relativen Feuchte eines an eine Kathodenseite eines Brennstoffzellenstapels (12) gelieferten Gases, umfassend, dass: ein Durchfluss des Rückführgases von der Kathodenseite zu einem Kompressor (22) gesteuert wird, um die relative Feuchte des Gases einzustellen; Wasser in den Kompressor eingespritzt wird; die Wassereinspritzung gesteuert wird, um die relative Feuchte einzustellen; Wasser in dem Kompressor (22) verdampft wird, um die relative Feuchte des Gases weiter einzustellen; und das Gas mit einem Druck ausgetragen wird, der zur Verwendung in dem Brennstoffzellenstapel (12) ausreichend ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Verdampfen unter Verwendung von durch Kompression erzeugter Wärme erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend, dass ein Kompressionsdruck des Kompressors (22) auf Grundlage einer Menge des Wassers eingestellt wird, um das Wasser darin zu verdampfen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Rückführgas gesättigt ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Rückführgas übersättigt ist.
Verfahren zum Regulieren einer relativen Feuchte eines Gases, umfassend, dass: ein Durchfluss von Rückführgas zu einem Kompressor (22) gesteuert wird, um die relative Feuchte des Gases einzustellen; Wasser in den Kompressor eingespritzt wird; die Wassereinspritzung gesteuert wird, um die relative Feuchte einzustellen; und Wasser, das in den Kompressor (22) eingespritzt wird, verdampft wird, um die relative Feuchte des Gases weiter einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Rückführgas gesättigt ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Rückführgas übersättigt ist.