DE102007055227A1

DE102007055227A1 - Brennstoffzellenerwärmung

Info

Publication number: DE102007055227A1
Application number: DE102007055227A
Authority: DE
Inventors: Dirk Wexel; Jürgen Thyroff; Bernd Peter Elgas
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2007-11-19
Publication date: 2008-06-05
Also published as: US8313871B2; US20080118787A1

Abstract

Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Produkt, das einen Brennstoffzellenstapel umfasst, der zumindest eine Kühlmittelsammelleitung und zumindest einen Heizer umfasst, der zumindest teilweise in der zumindest einen Kühlmittelsammelleitung angeordnet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das Gebiet, zu dem die Offenbarung allgemein gehört, umfasst Brennstoffzellenstapel und eine Erwärmung von Brennstoffzellenstapeln.
HINTERGRUND
Es ist bekannt gewesen, dass Brennstoffzellenstapel Heizelemente aufweisen, die in Endplatten der Stapel integriert sind. Die Heizelemente erzeugen Wärme durch Widerstand für elektrischen Strom, der von einer unabhängigen elektrischen Energieversorgung aufgenommen wird. Demgemäß erwärmen derartige Widerstandsheizelemente selektiv die äußersten Brennstoffzellen, jedoch keine anderen Brennstoffzellen des Stapels.
ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der Erfindung weist ein Produkt auf, das einen Brennstoffzellenstapel umfasst, der zumindest eine Kühlmittelsammelleitung und zumindest einen Heizer umfasst, der zumindest teilweise in der zumindest einen Kühlmittelsammelleitung angeordnet ist.
Andere beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich.
1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Brennstoffzellensystems.
2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels, der in dem Brennstoffzellensystem von 1 verwendet werden kann.
3 ist eine Schnittansicht eines Abschnitts des Brennstoffzellenstapels von 2.
4 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Allgemein ist es manchmal nützlich, einen Brennstoffzellenstapel zu erwärmen, wie bei einem Niedrigleistungsbetrieb eines Brennstoffzellenstapels oder wenn ein Stapel bei Bedingungen mit niedriger Umgebungstemperatur betrieben wird oder beim Start und Aufwärmen eines Brennstoffzellenstapels. Zur Startbarkeit und guten Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellenstapels wird der Stapel allgemein erwärmt, um Lastanforderungen nachzukommen.
Daher und nun Bezug nehmend auf 1 ist ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 10 schematisch gezeigt, das einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel 12 aufweist, der einen oder mehrere Heizer 14 aufweist, die zumindest teilweise in einer oder mehreren Kühlmittelsammelleitungen 16, 18 des Stapels 12 angeordnet sind. Es kann eine beliebige geeignete Menge von Kühlmittelsammelleitungen 16, 18 mit Kühlmittel versehen sein, um eine Kühlung und/oder Erwärmung des Stapels 12 zu unterstützen. Der hier verwendete Begriff "Kühlmittel" kann ein beliebiges geeignetes Fluidmedium umfassen, das zum Kühlen und/oder Erwärmen eines Brennstoffzellenstapels oder eines oder mehrerer beliebiger Abschnitte desselben verwendet werden kann.
Der Brennstoffzellenstapel 12 kann auch Brennstoffversorgungs- und Rückführsammelleitungen 20, 22 und Oxidationsmittelversorgungs- und Rückführsammelleitungen 24, 26 aufweisen. Der Stapel 12 kann ferner Klemmplatten 28, Stromkollektorplatten 30 und eine oder mehrere Brennstoffzellen dazwischen 32 aufweisen. Die Sammelleitungen 16, 18, 20, 22, 24, 26 können benachbart der Brennstoffzellen 32 angeordnet sein, um jeweils Kühlmittel-, Brennstoff- und Oxidationsmittelfluide zu und von den Brennstoffzellen 32 zu liefern. Der Fachmann erkennt, dass zwischen den Sammelleitungen 16, 18, 20, 22, 24, 26 und den Brenn stoffzellen 32 geeignete Durchgänge (nicht gezeigt) vorgesehen sein können, um jeweilige Fluide zu den Brennstoffzellen 32 zu fördern.
Die Heizer 14 können zum Erwärmen des Kühlmittels in den Kühlmittelsammelleitungen 16, 18 verwendet werden, um die Brennstoffzellen 32 von einem nahen, benachbarten Ort zu erwärmen. Die Heizer 14 sind zumindest teilweise in einer oder beiden der Kühlmittelversorgungs- oder Rückführsammelleitungen 16, 18 angeordnet. Wie gezeigt ist, können sich die Heizer 14 im Wesentlichen über die Länge der Sammelleitungen 16, 18 erstrecken. Ferner können sich die Heizer 14 im Wesentlichen über die Länge des Brennstoffzellenstapels 12 erstrecken, wie zwischen den Klemmplatten 28, wie in der Kühlmittelsammelleitung 16 gezeigt ist. Es kann eine beliebige geeignete Anzahl von Heizern 14 in den Sammelleitungen 16, 18 vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine der Sammelleitungen einen einzelnen Heizer aufweisen, beide Sammelleitungen können jeweils einen einzelnen Heizer aufweisen, eine Sammelleitung kann einen einzelnen Heizer aufweisen, während die andere mehrere Heizer aufweist oder beide Sammelleitungen können mehrere Heizer aufweisen, oder dergleichen.
Die Heizer 14 können ein oder mehrere Heizelemente 34 aufweisen, die im Wesentlichen in einer oder beiden der Kühlmittelversorgungs- oder Rückführsammelleitungen 16, 18 angeordnet sind. Die Heizelemente 34 können einen beliebigen geeigneten Typ von Heizelementen darstellen und können beispielsweise Widerstandsheizelemente aufweisen, wie Tauchelemente, die zum direkten Eintauchen in das Kühlmittel geeignet sind, oder wie eine Quelle für Leitungs-, Konvektions- oder Strahlungswärme. Widerstandsheizelemente können in geradlinigen Längen in einem geglühten Zustand geliefert werden und können unter Verwendung einfacher Biegewerkzeuge in komplexe Formen geformt werden. Beispielsweise ist ein U-förmiges Widerstandsheizelement gezeigt, das in der Kühlmittelrückführsammelleitung 18 angeordnet ist, und ein geradliniges Stangenwiderstandsheizelement ist in der Kühlmittelversorgungssammelleitung 16 angeordnet gezeigt. Die Widerstandsheizelemente können aus einer INCOLOY-Nickel-Eisen-Chrom-Legierung bestehen und können mit Kompressionsanschlussstücken an geeignete Abstützungen/Flansche (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenstapels 12 hartverlötet oder befestigt sein. Beispielhafte Widerstandsheizelemente sind von RS Components of United Kingdom oder Deutschland, RS Stock Nr. 200-1229, Redring Herstellerteilenummer 72400127 erhältlich.
Die Heizer 14 können ihren eigenen Temperaturausgang regeln. Beispielsweise können die Heizer 14 eine oder mehrere strombegrenzende Vorrichtungen 36 aufweisen, die elektrisch mit den Heizelementen 34 verbunden sind, um den Fluss von Elektrizität zu den Heizelementen 34 automatisch ein- und auszuschalten. Die strombegrenzenden Vorrichtungen 36 können auf eine beliebige geeignete Art und Weise an einem beliebigen geeigneten Ort von dem Stapel 12 getragen werden. Die strombegrenzenden Vorrichtungen 36 können eine oder mehrere geeignete Vorrichtungen zur Reduzierung, zum Stoppen oder anderweitigen Steuern des Stromflusses zu den Heizelementen 34 aufweisen, wie Thermostate, Thermistoren oder dergleichen. Derartige strombegrenzende Vorrichtungen 36 können Temperatursollwerte besitzen, gemäß denen die strombegrenzenden Vorrichtungen 36 einen Fluss von elektrischem Strom zu den Heizelementen 34 entweder zulassen oder verhindern. Wenn beispielsweise die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 auf eine Sollwerttemperatur der strombegrenzenden Vorrichtung 36 ansteigt, kann die strombegrenzende Vorrichtung 36 den Stromfluss zu ihrem jeweiligen Heizelement 34 abschalten.
Die Temperatursollwerte können gemäß den Eigenschaften der strombegrenzenden Vorrichtung 36 voreingestellt sein, wie der Form, der Größe und Zusammensetzung einer Bimetallwicklung in dem Fall einer bimetallischen Schaltvorrichtung. Dies ermöglicht, dass die Heizer 14 ihren Betrieb automatisch ohne externe Steuerungen regeln können, so dass die Heizer 14 selbst regelnde Vorrichtungen sind. Demgemäß ermöglichen die Heizer 14, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 automatisch bei oder über einer Solltemperatur beibehalten wird.
Beispielsweise können die strombegrenzenden Vorrichtungen 36 eine bimetallische Thermostatvorrichtung aufweisen, die eine Bimetallwicklung aufweist. Die Bimetallwicklung kann durch Verbinden von Streifen aus zwei verschiedenen Metalltypen hergestellt werden, die sich in der Größe ausdehnen oder zusammenziehen, wenn sie erhitzt oder gekühlt werden. Jeder Typ von Metall dehnt sich mit seiner eigenen spezifischen Rate aus, und die beiden Metalle, wie Eisen und Kupfer, sind so gewählt, dass die Rate der Ausdehnung oder Kontraktion nicht gleich ist. Somit zieht sich, wenn die Bimetallwicklung kühlt, die Metallschicht an der Innenseite der Wicklung schneller zusammen, als die Metallschicht an der Außenseite der Wicklung, und daher windet sich die Wicklung auf. Wenn sich die Wicklung windet, wird eine Schaltung durch einen an der Wicklung befestigten Schalter vervollständigt, wobei zugelassen wird, dass Strom von einer Energieversorgung zu den Heizelementen 34 geleitet wird. Umgekehrt dehnt sich, wenn die Temperatur zunimmt, die Metallschicht an der Innenseite der Wicklung schneller aus, als die Metallschicht an der Außenseite der Wicklung, und daher windet sich die Wicklung ab. Wenn sich die Wicklung abwindet, wird die Schaltung geöffnet, und es wird verhindert, dass Strom zu den Heizelementen 34 geleitet wird. Eine beispielhafte bimetallische Vorrichtung ist von RS Components in Großbritannien oder Deutschland, RS Bestellnummer 228-2636, Elmwood Warenzeichen Her stellerteilenummer 2455R 9082-462 L50C erhältlich, erhältlich von Honeywell in Pawtucket, Rhode Island, US.
Bei einem anderen Beispiel können die strombegrenzenden Vorrichtungen 36 einen Thermistor aufweisen, der ein thermischer Typ eines Widerstands ist, dessen Widerstand sich als eine Funktion der Temperatur gemäß einem Wärmekoeffizienten ändert. Thermistoren können in zwei Typen abhängig von dem Vorzeichen des Wärmekoeffizienten klassifiziert sein. Wenn der Koeffizient positiv ist, dann steigt der Widerstand mit zunehmender Temperatur, und die Vorrichtung wird als ein Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) oder als ein PTC-Widerstand bezeichnet. Wenn der Koeffizient jedoch negativ ist, dann nimmt der Widerstand mit zunehmender Temperatur ab, und die Vorrichtung wird als ein Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) bezeichnet.
Die Heizer 14 können Thermistoren vom PTC-Typ aufweisen, die reine PTC-Eigenschaften oder PTC- und NTC-Eigenschaften aufweisen. Wenn eine Spannung über einen reinen PTC-Thermistor angelegt wird, fließt Strom hindurch, und die Ausgangstemperatur des PTC-Heizelements steigt. Viele PTC-Thermistoren sind jedoch auch so konstruiert, dass sie anfänglich NTC-Eigenschaften aufweisen, wobei der Widerstand abnimmt, wenn Strom anfänglich durch den Thermistor fließt. Dieser abnehmende Widerstand bewirkt seinerseits eine Erhöhung des Stromflusses durch den Thermistor, wodurch ein zusätzlicher Wärmeausgang bewirkt wird. Nach dieser anfänglichen Periode eines abnehmenden Widerstands und zunehmender Temperatur weist der Thermistor schließlich PTC-Eigenschaften auf, bei denen der Widerstand oberhalb einer gewissen Temperatur scharf zuzunehmen beginnt. Demgemäß steigt, wenn die Temperatur zunimmt, der Widerstand des PTC-Thermistors ebenfalls stark auf einen bestimmten Temperatursollwert an, bei dem der PTC-Thermistor effektiv keinen Strom mehr hindurchleitet. Mit anderen Worten ist der PTC-Thermistor selbstregelnd, da er sich effektiv selbst ausschaltet.
Überdies können die Heizer 14 PTC-Heizer aufweisen, die aus PTC-Heizelementen bestehen, die effektiv PTC-Thermistoren mit Widerstandsheizelementen integrieren. Mit anderen Worten können die Heizer 14 PTC-Heizer sein, die reine PTC-Eigenschaften oder PTC- und NTC-Eigenschaften aufweisen.
Die Heizer 14 können dazu verwendet werden, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels auf eine oder mehrere beliebige geeignete Temperaturen zu regeln, wie in einem beispielhaften Bereich von 0°C bis 80°C und insbesondere zwischen 50°C bis 70°C mit einem beispielhaften Ziel von 60°C. Wenn mehrere Heizer 14 entweder in einer oder beiden der Sammelleitungen 16, 18 verwendet werden, kann überdies jeder Heizer 14 seinen eigenen Temperatursollwert aufweisen, um Zunahmen der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 auf eine stufenartige Weise zu ermöglichen, um verschiedenen Lastpunkten zu entsprechen.
Die Heizer 14 können Teil eines Brennstoffzellen-Heizsystems sein, das auch eine beliebige geeignete Energieversorgung zur Bereitstellung von Elektrizität an die Heizer 14 aufweisen kann. Bei einem ersten Energieversorgungsbeispiel kann eine Energieversorgung 38 eine Wechselstrom-(AC)-Energiequelle, wie eine Versorgungsleistung von 180-450 VAC, und/oder eine DC-Energiequelle, wie eine Fahrzeugbatterie mit 12 VDC aufweisen. Wie in gestrichelten Linien gezeigt ist, kann die elektrische Verbindung zwischen der Energieversorgung 38 und den Heizern 14 auf eine beliebige geeignete Art und Weise hergestellt werden, einschließlich einer geschalteten Verbindung.
Bei einem zweiten Energieversorgungsbeispiel kann der Brennstoffzellenstapel 12 stattdessen oder zusätzlich selbst als die Energieversorgung dienen. Der Brennstoffzellenstapel 12 besitzt Ausgänge für elektrische Leistung, wie die Stromkollektorplatten 30. Auch kann, wie in durchgezogenen Linien gezeigt ist, eine elektrische Verbindung zwischen den Stromkollektorplatten 30 und den Heizelementen 34 hergestellt sein. Die Verwendung des Brennstoffzellenstapels 12 als die Energieversorgung ermöglicht eine relativ kurze Stromverdrahtung, Minimierung und Beseitigung von Steuerungen, wenn die Heizer 14 selbstregulierend sind, und weniger Komponenten und geringeres Gewicht. Auch kann eine beliebige geeignete Leistungskonditionier-, Regel- oder Wechselrichterausstattung (nicht gezeigt) zwischen den Heizern 14 und der bzw. den Energieversorgungen angeordnet sein.
Das Heizsystem kann ferner einen Rezirkulationspfad 40 für die Kühlmittelsammelleitung zwischen den Kühlmittelsammelleitungen 16, 18 aufweisen. Der Rezirkulationspfad 40 kann ein Kühlsystem (unten beschrieben) parallel schalten und dadurch eine Erwärmung einer relativ kleineren Menge an Kühlmittel in dem Brennstoffzellenstapel 12 vorsehen. In dem Rezirkulationspfad 40 kann das Heizsystem auch eine Pumpe 42 zur Lieferung von Kühlmittel von der Kühlmittelrückführsammelleitung 18 zu der Kühlmittelversorgungssammelleitung 16 und ein Rezirkulationsventil 44 aufweisen, um das Kühlmittel weg von dem Kühlsystem und von der Kühlmittelrückführsammelleitung 18 an die Pumpe 40 umzulenken. Die Pumpe 42 und das Ventil 44 können für variable Abgabe ausgestaltet sein und können auf eine beliebige geeignete Weise betrieben werden, wie von der elektrischen Abgabe des Stapels oder der Energieversorgung 38 (Stromverbindungen sind nicht gezeigt). Ähnlicherweise können die Pumpe 42 und das Ventil 44 auf eine beliebige geeignete Art und Weise gesteuert werden. Beispielsweise kann das Heizsystem auch einen beliebigen geeigneten Controller, wie einen Controller 46, in Verbindung mit der Pumpe 42 und dem Ventil 44 aufweisen (Steuerverbindungen sind nicht gezeigt). Der Controller 46 kann ein Fahrzeug- oder Brennstoffzellencontroller, ein zweckbestimmter Heizsystemcontroller oder dergleichen sein.
Der Controller 46 kann auch mit einem der folgenden Schalter in Verbindung stehen, die zur Verbesserung des Betriebs des Heizsystems geeignet sind. Beispielsweise kann ein Brennstoffzellenausgangsschalter 48 über den elektrischen Ausgang des Stapels vorgesehen sein, ein Energieversorgungsschalter 50 kann in Reihe zu der Energieversorgung 38 vorgesehen sein und Heizerschalter 52 können in Reihe zu den Heizern 14 vorgesehen sein. Der Controller 46 kann einen Prozessor und ein oder mehrere Speicherelemente in Verbindung mit dem Prozessor (nicht gezeigt) aufweisen. Der Speicher kann derart ausgestaltet sein, um eine zumindest temporäre Speicherung von Daten und computerlesbaren Anweisungen vorzusehen, die zumindest einen Teil der Funktionalität des Systems 10 bereitstellen können und von dem Prozessor ausgeführt werden können.
Das Heizsystem kann in mehreren Betriebsarten arbeiten. In einer Automatik-Betriebsart werden die Heizer 14 nicht extern direkt gesteuert. Vielmehr sind die Heizer 14 in kontinuierlicher elektrischer Verbindung mit dem Ausgang des Brennstoffzellenstapels 12 vorgesehen und sind mit geeigneten Temperatursollwerten voreingestellt. Die Heizer 14 können die Erzeugung von Wärme automatisch im Wesentlichen beenden, wenn ihre Temperaturen ihre jeweiligen Sollwerte erreichen. In einer mit Brennstoffzelle betriebenen Betriebsart kann der Controller 46 so programmiert sein, um den Brennstoffzellenausgangsschalter 48 zu schließen und den Energieversorgungsschalter 50 zu öffnen, um Leistung an die Heizer 14 zu lenken. Umgekehrt kann in einer mit Energieversorgung betriebener Betriebsart der Controller 46 so programmiert sein, dass der Brennstoff zellenausgangsschalter 48 geöffnet wird und der Energieversorgungsschalter 50 geschlossen wird, um Leistung an die Heizer 14 zu lenken. Wenn die Heizerschalter 52 verwendet werden, kann der Controller 46 auch so programmiert sein, um diese zu schließen und eine volle Stapelausgangsleistung zu ermöglichen, oder kann variable Leistung durch Betätigung der Schalter 52 in einer Ein/Aus-modulierten Art und Weise ermöglichen, wie z.B. wenn die Schalter 52 pulsbreitenmodulierte (PWM) Typen von Schaltern oder dergleichen sind. Überdies kann der Controller 46 programmiert sein, dass die Schalter 52 so gesteuert werden, um einen Betrieb der Heizer 14 unabhängig zu steuern, wie beispielsweise, um einen Betrieb eines einzelnen Heizers zu aktivieren und einen Betrieb des anderen zu deaktivieren oder um einen Betrieb mehrerer Heizer unabhängig voneinander zu variieren. Wenn mehr als ein Heizer 14 in einer der Sammelleitungen 16, 18 verwendet wird, kann ähnlicherweise einer der Schalter 52 für jeden Heizer 14 vorgesehen sein, und der Controller 46 kann so programmiert sein, um einen Betrieb derartiger zusätzlicher Heizer 14 unabhängig zu steuern.
Der Controller 46 kann auch mit der Pumpe 42 und dem Ventil 44 in Verbindung stehen, um einen Betrieb des Heizsystems 40 weiter zu verbessern (Verbindungen sind nicht gezeigt). Der Controller 46 kann so programmiert sein, um das Rezirkulationsventil 44 zu schließen oder zu begrenzen, um Kühlmittel an die Pumpe 42 zu lenken und um den Ausgang der Rezirkulationspumpe 42 auf eine beliebige geeignete Weise einzustellen. Demgemäß rezirkulieren das Ventil 44 und die Pumpe 42 ein relativ kleines Kühlmittelvolumen durch den Brennstoffzellenstapel 12 und den Rezirkulationspfad 40 im Vergleich zu einem relativ großen Volumen von Kühlmittel, das normalerweise durch den Brennstoffzellenstapel 12 über das Kühlsystem gelenkt wird.
Das Brennstoffzellensystem 10 kann auch das vorher erwähnte Kühlsystem aufweisen, das betätigt werden kann, um Wärme von dem Kühlmittel zu entfernen und das Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel 12 zu zirkulieren, um Wärme von dem Stapel 12 zu entfernen. Das Kühlsystem kann allgemein eine Kühlmittelversorgungsverrohrung 54, eine Kühlmittelquelle 56, eine Kühlmittelrückführverrohrung 58, einen Kühlmittelwärmetauscher 60 in Verbindung zwischen der Kühlmittelquelle 56 und der Kühlmittelrückführsammelleitung 18 und eine Pumpe 62 in Verbindung zwischen der Quelle 56 und dem Wärmetauscher 60 und der Kühlmittelversorgungssammelleitung 16 über die Kühlmittelversorgungsverrohrung 54 aufweisen. Die Pumpe 62 kann so betätigt werden, um zu bewirken, dass Kühlmittel in die Kühlmittelsammelleitung 16 und durch die Brennstoffzellen 32 strömt, um Wärme von diesen zu entfernen. Das Kühlmittel, das durch die Brennstoffzellen 32 strömt, kann durch die Kühlmittelrückführsammelleitung 18 in die Kühlmittelrückführverrohrung 58 strömen. Das Kühlmittel in der Kühlmittelrückführverrohrung 58 kann an den Wärmetauscher 60 geführt werden, in dem Wärme von dem hindurchströmenden Kühlmittel entfernt wird. Ein Auslass des Wärmetauschers 60 kann mit einem Einlass der Pumpe 62 in Verbindung stehen, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel zurück an den Brennstoffzellenstapel 12 rezirkuliert wird.
Der Fachmann erkennt, dass ein beliebiges geeignetes Kühlsystem anstatt oder zusätzlich zu dem beispielhaften Kühlsystem, das hier beschrieben ist, verwendet werden kann. Beispielsweise können ein beliebiger geeigneter Kälteerzeugungstyp von Kühlsystem und damit in Verbindung stehende Komponenten verwendet werden, um das Kühlmittel zu kühlen. Überdies kann das Kühlmittel für mehr als nur ein Kühlen des Brennstoffzellenstapels 12 verwendet werden und kann tatsächlich dazu verwendet werden, den Stapel 12 in Verbindung mit dem einen oder den mehreren Heizern 14, wie oben beschrieben ist, zu erwärmen.
Wie aus der Systembeschreibung oben zu verstehen ist, sieht die vorliegende Brennstoffzellenheizkonfiguration eine lokale Erwärmung in der bzw. den Sammelleitungen des Brennstoffzellenstapels vor. Diese Konfiguration ist effizient, da Wärmeverluste dadurch minimiert werden, dass eine Wärmequelle näher an einem Erwärmungsziel angeordnet wird. Mit anderen Worten ist der Wärmepfad von den Heizern 14 zu den Brennstoffzellen 32 relativ kurz. Auch sieht die vorliegende Konfiguration ein relativ kleines Heizpaket vor, da keine zusätzlichen externen Heiz- und Verteilungssysteme erforderlich sind, und da die vorliegende Konfiguration in einen existieren Brennstoffzellenstapel passen kann und keinen Zusatz von Platten zu dem Stapel erfordert.
Nun Bezug nehmend auf die 1 bis 3 ist ein beispielhafter Aufbau und Betrieb des beispielhaften Brennstoffzellenstapels 12 beschrieben. Wie in 1 gezeigt ist, kann der Stapel 12 die Vielzahl beispielhafter Brennstoffzellen 32 aufweisen, die relativ zueinander in einer gestapelten Konfiguration angeordnet sind. Die Brennstoffzellen 32 können in Reihe gestapelt sein, wie gezeigt ist, um einen relativ größeren Spannungsausgang zu erzeugen, da die Spannung, die durch eine einzelne Brennstoffzelle erzeugt wird, relativ klein sein kann. Die Brennstoffzellen 32 können äußerste Brennstoffzellen 32A, 32Z und zumindest eine Zwischen-Brennstoffzelle dazwischen 32M aufweisen. Der Stapel 12 kann eine beliebige geeignete Anzahl gestapelter Brennstoffzellen 32 aufweisen, und der Stapel 12 kann als nur eines einer unendlichen Anzahl von Beispielen 200 Brennstoffzellen aufweisen, die zwei gegenüberliegende äußerste Brennstoffzellen und 198 Zwischen-Brennstoffzellen dazwischen aufweisen.
Der Brennstoffzellenstapel 12 kann die Klemmplatten 30 aufweisen, die dazu verwendet werden, die Brennstoffzellen 32 schichtartig dazwischen anzuordnen. Der Fachmann erkennt, dass der Stapel 12 unter Verwendung der Klemmplatten 30 und beliebigen geeigneten Befestigungselementen (nicht gezeigt) und einer beliebigen geeigneten Befestigungskonfiguration zusammengeklemmt werden kann und/oder auf eine beliebige geeignete Art und Weise gestützt werden kann, wie in einem Gehäuse oder Rahmen (nicht gezeigt).
Nun Bezug nehmend auf die 2 und 3 kann der Brennstoffzellenstapel 12 auch ein Paar von Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 72 aufweisen. Die MEAs 72 können einen Innenleiter, wie eine Polyelektrolytmembran (nicht gezeigt) aufweisen, die zwischen gegenüberliegenden Elektroden (nicht gezeigt) positioniert ist. An den gegenüberliegenden Elektroden treten separate chemische Reaktionen auf, die Anoden für einen Kontakt mit dem Brennstoff und Kathoden für einen Kontakt mit dem Oxidationsmittel aufweisen können. Die MEA-Membran erlaubt, dass Ionen von einer Elektrode zu der anderen hindurchgelangen können, blockiert jedoch den Elektronenfluss.
Der Brennstoffzellenstapel 12 kann ferner eine oder mehrere bipolare Strömungsplatten 74 aufweisen, die elektrisch leitend und flüssigkeitsgekühlt sind, und wobei eine bipolare Strömungsplatte 74 zwischen den MEAs 72 positioniert ist. Die bipolare Strömungsplatte 74 kann entgegengesetzte Seiten 76 aufweisen, wobei jede Seite 76 jeweils einer der MEAs 72 zugewandt ist. Die bipolare Strömungsplatte 74 leitet Elektrizität und Reaktandenfluid, wobei die Seiten 76 eine Vielzahl von Stegen 78 benachbart zu Nuten oder Kanälen 80 aufweisen können, um Strömungsfelder zur Verteilung von Reaktanden an die MEAs 72 zu bilden. Die bipolare Strömungsplatte 74 kann auch Kühlmitteldurchgänge 82 aufweisen, die darin geformt sind, um beliebiges geeignetes Brennstoffzellenkühlmittel zum Kühlen oder Erwärmen des Brennstoffzellenstapels 12, der die Brennstoffzellen 32 aufweist, zu führen.
Der Stapel 12 kann zusätzlich die Stromkollektor- oder polaren Strömungsplatten 30 aufweisen, die elektrisch leitend, flüssigkeitsgekühlt und zwischen den Klemmplatten 28 positioniert sein können. Ähnlich der bipolaren Strömungsplatte 74 leiten die polaren Strömungsplatten 30 Elektrizität und Reaktandenfluid und können Seiten 84 aufweisen, die eine Vielzahl von Stegen 86 benachbart zu Nuten oder Kanälen 88 besitzen können, um Strömungsfelder zur Verteilung von Reaktanden an die MEAs 72 zu formen. Entgegengesetzte Seiten 90 der jeweiligen polaren Strömungsplatten 30 können so ausgestaltet sein, dass keine Reaktandenfluide hindurch strömen. Die polaren Strömungsplatten 30 können auch Kühlmitteldurchgänge 92 aufweisen, die darin geformt sind, um Kühlmittel zum Kühlen oder Erwärmen des Brennstoffzellenstapels 12 zu führen.
Bezug nehmend auf 2 kann der Stapel 12 auch nicht leitende Dichtungselemente 94 aufweisen, um Fluiddichtungen und/oder eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels 12 bereitzustellen. Die Strömungsplatten 30, 74 können einen Kontakt mit dem komprimierbaren Dichtungselementmaterial herstellen, wodurch eine geeignete Barriere gegenüber einem Gasaustritt erzeugt wird.
Bezug nehmend auf die 2 und 3 kann der Stapel 12 auch gasdurchlässige leitende Diffusionsmedien (GDM) 96 aufweisen, die an die Elektrodenseiten der MEAs 72 gepresst werden können und zwischen den Strö mungsplatten 30, 74 angeordnet sein können, um einen leitenden Pfad dazwischen vorzusehen. Das GDM 96 kann Reaktandenfluid von einer benachbarten Strömungsplatte aufnehmen und das Reaktandenfluid gleichförmig über die Fläche einer benachbarten MEA verteilen.
Der Fachmann erkennt, dass der Brennstoffzellenstapel 12 auch beliebige andere geeignete Komponenten zur Verbesserung des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 12 aufweisen kann. Beispielsweise können mikroporöse Schichten (nicht gezeigt) zwischen dem GDM 96 und den MEAs 72 angeordnet sein. Auch können Schichten für elektrische Isolierung (nicht gezeigt) zwischen verschiedenen Komponenten angeordnet sein, wie den polaren Strömungsplatten 30 und jeweiligen Klemmplatten 30.
Wiederum Bezug nehmend auf die 1 und 2 erleichtert der Brennstoffzellenstapel 12 allgemein eine interne chemische Reaktion, um extern gelieferte Leistung in der Form von chemischen Reaktanden, wie einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel, in chemische Nebenprodukte und Elektrizität umzuwandeln, wie elektrische Leistung in Form von Gleichstrom (DC).
Ein druckbeaufschlagter Brennstoff, wie Wasserstoff, kann an den Brennstoffzellenstapel 12 über eine geeignete Brennstoffversorgungsverrohrung 98 von einer Brennstoffquelle 100, wie einem Speichertank, einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen geliefert werden. Der druckbeaufschlagte Brennstoff tritt in die Brennstoffversorgungssammelleitung 20 des Stapels 12 ein und strömt durch geeignete Durchgänge (nicht gezeigt) an Anodenströmungsfelder der Brennstoffzellen 32. Der Brennstoff kann durch die Strömungsplatten 30, 74 geleitet werden und diffundiert unter Druckbeaufschlagung durch das GDM 94 und tritt mit den porösen katalytischen Anoden der Brennstoffzellen 32 in Kontakt.
Der Brennstoff dissoziiert an den katalytischen Anoden, um Protonen, Elektronen und Wärme zu erzeugen. Die an den Anoden erzeugten Protonen werden durch die Membrane an die Kathoden geleitet. Die Elektronen können von der Anode an die Strömungsplatte und an die Kathode einer benachbarten Brennstoffzelle fließen. Die Elektronen können auch von bipolarer Platte zu bipolarer Platte und schließlich zu einer der Stromkollektorplatten 30 und aus dem Stapel 12 fließen. Demgemäß erzeugen die Brennstoffzellen 32 eine elektrische Stromabgabe. Die Elektronen fließen aus dem Brennstoffzellenstapel 12 durch einen elektrischen Flusspfad 102 zu einer elektrischen Last 104 heraus, um Nutzarbeit auf dem Weg zu den Kathodenseiten der Brennstoffzellen 32 zu verrichten, an denen Oxidationsreaktionen stattfinden.
Ein druckbeaufschlagtes Oxidationsmittel kann über eine geeignete Oxidationsmittelversorgungsverrohrung 106 an Kathodenströmungsfelder der Brennstoffzellen 32 in dem Brennstoffzellenstapel 12 von einer Oxidationsmittelquelle 108, wie einem Speichertank, einer Umgebungsluftquelle oder dergleichen, geliefert werden. Das druckbeaufschlagte Oxidationsmittel tritt in die Oxidationsmittelversorgungssammelleitung 24 des Stapels 12 ein und strömt durch geeignete Durchgänge (nicht gezeigt) an Kathodenströmungsfelder der Brennstoffzellen 32. Das Oxidationsmittel kann durch die Strömungsplatten 30, 74 geleitet werden und diffundiert unter Druckbeaufschlagung durch das GDM 96 und tritt mit porösen katalytischen Kathoden der Brennstoffzellen 32 in Kontakt. Die Kathoden katalysieren die Erzeugung von Wasser aus dem gelieferten Oxidationsmittel, wobei die Protonen durch die MEAs wandern und Elektronen zurück zu dem Stapel 12 von der Last 104 fließen.
Resultierende Anoden- und Kathodenabflüsse können von dem Brennstoffzellenstapel 12 auf eine beliebige geeignete Art und Weise entfernt werden. Beispielsweise strömt überschüssiger Brennstoff von den Anodenseiten der Brennstoffzellen 32 weg und kann durch den Stapel 12 oder zurück an die Brennstoffquelle 100 rückgeführt werden. Ähnlicherweise strömt Wasser von den Kathodenseiten der Brennstoffzellen 32 weg und kann ausgetragen werden. Demgemäß kann eine Rückführverrohrung 110, 112 für Anoden- und Kathodenabflüsse, die in den jeweiligen Anoden- und Kathodenströmungsfeldern des Brennstoffzellenstapels 12 erzeugt werden, vorgesehen werden.
Durch die Reaktionen in den Brennstoffzellen 32 wird Wärme erzeugt, die durch durch die Strömungsplatten 30, 74 strömendes Kühlmittel entfernt werden kann. Demgemäß kann die Kühlmittelversorgungsverrohrung 54 zur Zirkulation von Kühlmittel von der Kühlmittelquelle 56 durch den Brennstoffzellenstapel 12 und aus der Kühlmittelrückführverrohrung 58 heraus vorgesehen sein.
Bezug nehmend auf 2 kann die Kühlmittelversorgungs- und Rückführverrohrung 54, 58 mit Kühlmittelöffnungen 114, 116 in den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels 12 in Verbindung stehen. Ähnlicherweise kann die Anoden- und Kathodenversorgungs- und Rückführverrohrung 98, 106, 110, 112 mit Anoden- und Kathodenöffnungen 118, 120, 122, 124 in den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels 12 in Verbindung stehen. Die Öffnungen 114, 116, 118, 120, 122, 124 sind in 2 in einer der Klemmplatten 28 und in einer der Strömungsplatten 30 benannt, können jedoch auch in zumindest den folgenden zusätzlichen Brennstoffzellenstapelkomponenten enthalten sein: den MEAs 72, Dichtungselemente 94, einer oder mehreren bipolaren Strömungsplatten 74 und einer oder mehreren anderen polaren Strö mungsplatten 30. Die Öffnungen 114, 116, 118, 120, 122, 124 können im Wesentlichen ausgerichtet sein, um jeweils die Kühlmittel- und Reaktandenversorgungs- und Rückführsammelleitungen 16, 18, 20, 22, 24, 26 zu definieren, die allgemein längsseits der Brennstoffzellen 32 verlaufen.
4 zeigt ein beispielhaftes Verfahren 400 zum Betrieb eines Brennstoffzellenstapels und/oder Brennstoffzellensystems, das unter Verwendung einer beliebigen geeigneten Vorrichtung und eines beliebigen geeigneten Systems ausgeführt werden kann. Beispielsweise können das System 10 und die Vorrichtung der 1 bis 3 insgesamt oder teilweise verwendet werden.
Bei Schritt 405 wird ein Brennstoffzellenstapel vorgesehen, der zumindest eine Kühlmittelsammelleitung aufweist. Beispielsweise kann der Brennstoffzellenstapel 12 der 1 und 2 mit einer oder mehreren der Kühlmittelsammelleitungen 16, 18 vorgesehen werden.
Bei Schritt 410 kann zumindest eine Kühlmittelsammelleitung eines Brennstoffzellenstapels mit einer Menge an Kühlmittel darin vorgesehen werden. Beispielsweise können eine oder beide der Sammelleitungen 16, 18 des Brennstoffzellenstapels 12 von 1 zumindest teilweise mit Kühlmittel gefüllt werden.
Bei Schritt 415 kann Kühlmittel durch einen Brennstoffzellenstapel auf eine beliebige geeignete Art und Weise zirkuliert werden. Bei einem ersten Beispiel kann eine beliebige geeignete Pumpe und Verrohrung, wie die Pumpe 62 und die Verrohrung 54, 58 des Kühlsystems von 1, dazu verwendet werden, das Kühlmittel in den Brennstoffzellenstapel 12 durch seine Kühlmittelversorgungssammelleitung 16, seine Brennstoffzellen 32 und seine Kühlmittelrückführsammelleitung 18 und aus dem Brennstoff zellenstapel 12 heraus zu zirkulieren. Bei einem zweiten Beispiel kann eine beliebige geeignete Rezirkulationsvorrichtung, wie der Rezirkulationspfad 40, die Pumpe 42 und das Ventil 44 von 1, dazu verwendet werden, das Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel 12 einschließlich seiner Kühlmittelversorgungssammelleitung 16, seiner Brennstoffzellen 32 und seiner Kühlmittelrückführsammelleitung 18 zu zirkulieren. Die Verwendung des relativ kleinen Rezirkulationspfads 40 mit geschlossenem Kreislauf, um Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel 12 zu zirkulieren, kann besonders nützlich sein, wenn die Brennstoffzellenerwärmung zum Kaltstart und zum schnellen Aufwärmen des Stapels 12 ausgeführt wird.
Bei Schritt 420 sind ein oder mehrere Heizer zumindest teilweise in zumindest einer Kühlmittelsammelleitung eines Brennstoffzellenstapels angeordnet. Beispielsweise können die Heizer 14 von 1 zumindest teilweise in einer oder mehreren der Sammelleitungen 16, 18 des Brennstoffzellenstapels 12 zwischen den Klemmplatten 32, 34 angeordnet sein.
Bei Schritt 425 kann Leistung an einen oder mehrere Heizer in einer oder mehreren Kühlmittelsammelleitungen in einem Brennstoffzellenstapel auf eine beliebige geeignete Art und Weise geliefert werden. Bei einem ersten Beispiel können der eine oder die mehreren Heizer 14 mit elektrischer Leistung von dem Brennstoffzellenstapel 12 selbst beliefert werden, wie oben in Bezug auf 1 beschrieben ist. Bei einem zweiten Beispiel können der eine oder die mehreren Heizer 14 mit elektrischer Leistung von einer separaten Energieversorgung beliefert werden, wie der Energieversorgung 38 von 1.
Bei Schritt 430 kann Kühlmittel gekühlt und durch einen Brennstoffzellenstapel zirkuliert werden, wenn eine Energieversorgung zu einem oder mehreren Heizern in einer oder mehreren Sammelleitungen eines Brennstoffzellenstapels gestoppt ist. Wenn beispielsweise die Heizer 14 des Brennstoffzellensystems 10 von 1 ihre Sollwerttemperatur(en) erreichen, kann das Kühlsystem von 1 dazu verwendet werden, das Kühlmittel zu kühlen.
Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur und somit sind Abwandlungen desselben nicht als Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.

Claims

Produkt, mit: einem Brennstoffzellenstapel, der zumindest eine Kühlmittelsammelleitung umfasst; und zumindest einem Heizer, der zumindest teilweise in der zumindest einen Kühlmittelsammelleitung angeordnet ist.
Produkt nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Heizer zumindest ein selbstregelnder Heizer ist.
Produkt nach Anspruch 2, wobei der zumindest eine selbstregelnde Heizer zumindest ein PTC-Heizer ist.
Produkt nach Anspruch 1, wobei sich der zumindest eine Heizer im Wesentlichen über die Länge der zumindest einen Kühlmittelsammelleitung erstreckt.
Produkt nach Anspruch 1, wobei der Heizer ein Widerstandsheizelement umfasst.
Produkt nach Anspruch 5, wobei das Widerstandsheizelement ein U-förmiges Element umfasst.
Produkt nach Anspruch 5, wobei das Widerstandsheizelement ein geradliniges stangenförmiges Element umfasst, das sich im Wesent lichen über die Länge der zumindest einen Kühlmittelsammelleitung erstreckt.
Produkt nach Anspruch 5, wobei der Heizer eine strombegrenzende Vorrichtung umfasst.
Produkt nach Anspruch 8, wobei die strombegrenzende Vorrichtung einen Thermostat und/oder einen Thermistor umfasst.
Produkt nach Anspruch 9, wobei der Thermistor ein PTC-Thermistor ist.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Kühlmittelsammelleitung eine Kühlmittelversorgungssammelleitung und eine Kühlmittelrückführsammelleitung umfasst, und das Produkt ferner einen Rezirkulationspfad zwischen den Kühlmittelversorgungs- und Rückführsammelleitungen umfasst.
Produkt nach Anspruch 11, ferner mit einem Rezirkulationsventil und einer Pumpe in dem Rezirkulationspfad.
Produkt nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel ferner eine Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst, die äußerste Brennstoffzellen und zumindest eine Zwischenbrennstoffzelle dazwischen umfassen, und die zumindest eine Kühlmittelsammelleitung eine Kühlmittelversorgungssammelleitung und eine Kühlmittelrückführsammelleitung umfasst, die sich längsseits der Vielzahl von Brennstoffzellen erstrecken.
Produkt nach Anspruch 13, wobei die Vielzahl von Brennstoffzellen eine Vielzahl von Komponenten umfasst, die eine Vielzahl von Öffnungen besitzen, die die zumindest eine Kühlmittelsammelleitung definieren.
Verfahren, umfassend, dass: ein Brennstoffzellenstapel vorgesehen wird, der zumindest eine Kühlmittelsammelleitung umfasst; und zumindest ein Heizer zumindest teilweise in der zumindest einen Kühlmittelsammelleitung angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend, dass der Brennstoffzellenstapel in einer automatischen Betriebsart betrieben wird, in der Leistung kontinuierlich von dem Brennstoffzellenstapel an den zumindest einen Heizer geliefert wird, der zumindest einen selbstregelnden Heizer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend, dass der Brennstoffzellenstapel in einer Betriebsart mit variabler Leistung betrieben wird, in der Leistung von dem Brennstoffzellenstapel zu dem zumindest einen Heizer moduliert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend, dass eine Menge an Kühlmittel in der zumindest einen Kühlmittelsammelleitung vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend, dass Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel zirkuliert wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die zumindest eine Kühlmittelsammelleitung eine Kühlmittelversorgungssammelleitung und eine Kühlmittelrückführsammelleitung aufweist, und ferner umfassend, dass das Kühlmittel durch einen Rezirkulationspfad zwischen den Sammelleitungen rezirkuliert wird.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend, dass das Kühlmittel durch ein Kühlmittelsystem zirkuliert wird.
Verfahren nach Anspruch 21, ferner umfassend, dass eine Energieversorgung zu dem zumindest einen Heizer gestoppt wird; und das Kühlmittel mit dem Kühlmittelsystem gekühlt wird.
System, mit: einem Brennstoffzellenstapel, der Kühlmittelsammelleitungen aufweist; und einem Heizsystem, um das Kühlmittel in zumindest einer der Kühlmittelsammelleitungen des Brennstoffzellenstapels zu erwärmen, mit zumindest einem Heizer, der zumindest teilweise in der zumindest einen Kühlmittelsammelleitung angeordnet ist.
System nach Anspruch 23, ferner mit: einem Kühlsystem, um Kühlmittel an den Brennstoffzellenstapel zu liefern; einer Energieversorgung, die eine AC-Versorgungsenergiequelle, eine DC-Batterie und/oder einen Ausgang des Brennstoffzellenstapels aufweist; einem Schalter für den Ausgang des Brennstoffzellenstapels in Reihe zwischen dem Ausgang des Brennstoffzellenstapels und ei ner mit dem Ausgang des Brennstoffzellenstapels verbundenen Last; und einem Energieversorgungsschalter in Reihe mit der Energieversorgung.
System nach Anspruch 24, wobei das Heizsystem ferner umfasst: zumindest einen Schalter, der zwischen die Energieversorgung und den zumindest einen Heizer geschaltet ist; einen Kühlmittelrezirkulationspfad in Verbindung mit den Kühlmittelsammelleitungen; eine Rezirkulationspumpe in dem Kühlmittelrezirkulationspfad, um Kühlmittel zwischen den Sammelleitungen zu liefern; ein Rezirkulationsventil in dem Kühlmittelrezirkulationspfad, um Kühlmittel von dem Kühlmittelsystem weg und an die Rezirkulationspumpe zu lenken; und einen Controller in Verbindung mit dem zumindest einen Schalter, der Pumpe und dem Ventil, um deren Betrieb zu steuern.
System nach Anspruch 25, wobei das Kühlsystem umfasst: eine Kühlmittelquelle; einen Kühler; eine Kühlmittelverrohrung, um Kühlmittel von dem Kühlsystem an den Brennstoffzellenstapel zu führen; und eine Pumpe, um Kühlmittel von der Kühlmittelquelle und dem Kühler an die Kühlmittelsammelleitungen zu liefern.