DE10296735T5

DE10296735T5 - Elektronische Umleitung von Kathodengas einer Brennstoffzelle an einen Brenner

Info

Publication number: DE10296735T5
Application number: DE10296735T
Authority: DE
Inventors: William S. Wheat; Derek S. Kilmer; Bruce J. Clingerman; Mathew K. Hortop
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2001-05-03
Filing date: 2002-04-29
Publication date: 2004-04-29
Also published as: US20020164508A1; WO2002091510A1; CN1531759A; US6706430B2; JP2004527090A

Abstract

Steuersystem für Gasdurchfluss für eine Brennstoffe mit:
einer Gasversorgung;
einer Befeuchtungseinrichtung mit einem Einlass, der mit der Gasversorgung verbunden ist, und einem Auslass;
einem Brennstoffzellenstapel mit einer Kathodendurchflussleitung, die einen Einlass und einen Auslass aufweist, wobei der Einlass der Kathodendurchflussleitung mit dem Auslass der Befeuchtungseinrichtung verbunden ist; und
einem Brenner, der einen Einlass umfasst, der Gas von dem Auslass der Kathodendurchflussleitung aufnimmt;
wobei eine Bypassleitung ein Ende aufweist, das zwischen die Gasversorgung und den Einlass der Befeuchtungseinrichtung geschaltet ist, und ein entgegengesetztes Ende aufweist, das zwischen den Auslass der Kathodendurchflussleitung und den Einlass des Brenners geschaltet ist; und
einem Ventil, das in der Bypassleitung angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und insbesondere ein System und ein Verfahren zur Steuerung einer Gasströmung zu einer Brennstoffzelle und einen Brenner.
Brennstoffzellen werden zunehmend als eine Stromquelle in einer breiten Vielzahl verschiedener Anwendungen verwendet. Brennstoffzellen sind auch zur Verwendung in Fahrzeugen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Eine Brennstoffzelle mit Festpolymerelektrolyt umfasst eine Membran, die zwischen einer Anode und einer Kathode schichtartig angeordnet ist. Um durch eine elektrochemische Reaktion Elektrizität erzeugen zu können, wird Wasserstoff (H₂) an die Anode und Sauerstoff (O₂) an die Kathode geliefert. Bei einigen Systemen ist die Quelle für Wasserstoff Reformat und die Quelle für Sauerstoff ist Luft.
Bei einer ersten Halbzellenreaktion erzeugt eine Dissoziation des Wasserstoffes (H₂) an der Anode Wasserstoffprotonen (H⁺) und Elektronen (e^–). Die Membran ist protonenleitend und wirkt dielektrisch. Infolge dessen werden die Protonen durch die Membran transportiert, während die Elektronen durch die Last fließen, die über die Membran geschaltet ist. In einer zweiten Halbzellenreaktion reagiert Sauerstoff (O₂) an der Kathode mit Protonen (H⁺), und Elektronen (e^–) werden aufgenommen, um Wasser (H₂O) zu bilden.
Damit die Brennstoffzelle effizient arbeitet und eine maximale Strommenge erzeugt, muss sie richtig befeuchtet werden. Um den richtigen Befeuchtungsbereich zu erreichen, wird der Wasserstoffstrom und/oder der Sauerstoffstrom typischerweise durch eines von verschiedenen in der Technik bekannten Verfahren befeuchtet. Herkömmliche Feuchtigkeitssteuerverfahren sind allgemein nicht dazu in der Lage, die Feuchtigkeit der Wasserstoff- und Sauerstoffströme zu der Brennstoffzelle ausreichend zu steuern. Eine Lieferung von zu viel Feuchtigkeit an die Brennstoffzelle blockiert einen Zugang der Reaktionsgase zu dem Katalysator, wodurch die elektrochemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff beeinträchtigt sowie die Erzeugung von Elektrizität vermindert wird. Eine Lieferung von zu wenig Feuchtigkeit an die Brennstoffzelle begrenzt oder beschränkt den Protonentransport, der für die Reaktion in der Brennstoffzelle erforderlich ist, und kann die Brennstoffzelle auch physikalisch schädigen.
Brennstoffzellen führen den Sauerstoffstrom durch eine Kathodendurchflussleitung des Brennstoffzellenstapels, um Sauerstoff für einen Brennstoffzellenbetrieb vorzusehen. Der wasserstoffreiche Brennstoffstrom gelangt durch eine Anodendurchflussleitung des Brennstoffzellenstapels, um Wasserstoff für den Brennstoffzellenbetrieb vorzusehen. Ein Brenner, der mit einem Ausgang der Anodendurchflussleitung verbunden ist, verbrennt überschüssigen Wasserstoff, der durch den Brennstoffzellenstapel gelangt ist, um Wärme für das Brennstoffzellensystem vorzusehen. Um die Temperatur des Brenners steuern zu können, ist es erforderlich, einen Sauerstoffstrom vorzusehen, um den Brenner zu kühlen oder zu erhitzen. Der Brenner kann reich oder arm arbeiten. Wenn er reich arbeitet, erhöht mehr Sauerstoff die Temperatur des Brenners. Wenn er arm arbeitet, kühlt mehr Sauerstoff den Brenner, da der Sauerstoff als ein Verdünnungsmittel wirkt. Der Sauerstoffstrom wird typischerweise durch den Auslass der Kathodendurchflussleitung des Brennstoffzellenstapels geliefert.
Um den Brennstoffzellenstapel effizient betreiben zu können, ist es notwendig, die Stöchiometrie der Gasströme zu den Anoden- und den Kathodendurchflussleitungen zu steuern. Da der Brennstoffzellenstapel und der Brenner in Reihe angeordnet sind, ist die gelieferte Sauerstoffdurchflussrate das Maximum entweder der erforderlichen Kathodenstöchiometrie oder der erforderlichen Brennerluft. Herkömmlich ist die Durchflussrate des Sauerstoffstromes, die erforderlich ist, um die Kathodenstöchiometrie erfüllen zu können, erheblich geringer als der Sauerstoffstrom, der durch den Brenner erforderlich wird. Oftmals ist die Qualität des Sauerstoffstromes, der durch den Brennstoffzellenstapel strömt, wesentlich höher als die optimale Stöchiometrie, was den Wirkungsgrad beeinträchtigt. Es ist auch ein Druckabfall infolge eines Leitens von überschüssigem Sauerstoff durch den Brennstoffzellenstapel vorhanden. Der Druckabfall erhöht die Last auf den Kompressor, was auch den Gesamtsystemwirkungsgrad verringert.
Zusätzlich erfordert die Kathodendurchflussleitung des Brennstoffzellenstapels ein gewisses Maß an Befeuchtung für einen richtigen Betrieb. Andererseits wird die Leistungsfähigkeit des Brenners durch den Sauerstoffstrom mit hohem Wassergehalt beeinträchtigt. Wenn der Brenner mehr Luft als der Brennstoffzellenstapel benötigt, erfordert der Brennstoffzellenstapel, dass die gesamte Luft, die hindurch gelangt, auf dasselbe relative Feuchteniveau befeuchtet wird. Das zusätzliche Wasser wie auch die zusätzliche Wärme, die dazu verwendet werden, den Sauerstoff zu befeuchten, der von der Kathode nicht benötigt wird, erfordert die Verwendung eines größeren Befeuchters, als ansonsten nötig wäre.
Ein Gasdurchflusssteuersystem für eine Brennstoffzelle umfasst eine Gasversorgung und einen Befeuchter. Ein Einlass des Befeuchters ist mit einem Auslass der Gasversorgung verbunden. Eine Brennstoffzelle umfasst eine Kathodendurchflussleitung. Ein Einlass der Kathodendurchflussleitung ist mit einem Auslass des Befeuchters verbunden. Ein Brenner umfasst einen Einlass, der Gas von dem Auslass der Kathodendurchflussleitung aufnimmt. Ein Ventil wie auch eine Umgehungsleitung bzw. Bypassleitung führen Gas um den Befeuchter und den Brennstoffzellenstapel herum an den Einlass des Brenners.
Bei anderen Merkmalen der Erfindung ist das Ventil bevorzugt ein Gasbegrenzungsventil, ein Drosselventil, eine Stellklappe oder ein Wegeventil. Das Ventil ist bevorzugt in der Bypassleitung zwischen der Gasversorgung und dem Befeuchter oder zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Brenner angeordnet.
Bei noch anderen Merkmalen der Erfindung erzeugt ein Gasdurchflusssensor ein Gasdurchflusssignal basierend auf Gas, das durch zumindest eines der Elemente Befeuchter, die Kathodendurchflussleitung des Brennstoffzellenstapels und die Umgehungsleitung strömt. Eine Strö mungssteuerung, die mit dem Gasdurchflusssensor und dem Ventil verbunden ist, steuert das Ventil basierend auf dem Gasdurchflusssignal.
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden aus der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offensichtlich.
Die verschiedenen Merkmale, Vorteile und anderen Verwendungen der vorliegenden Erfindung werden aus der nun folgenden beispielhaften Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
1 einen Schnitt einer Membranelektrodenanordnung einer beispielhaften Brennstoffzellenanordnung zeigt;
2 ein schematisches Blockdiagramm ist, das ein Steuersystem für Gasdurchfluss für eine Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik zeigt;
3A ein schematisches Blockdiagramm ist, das ein erstes Steuersystem für Gasdurchfluss für eine Brennstoffzelle zeigt, die ein Ventil umfasst, das zwischen der Gasversorgung und dem Befeuchter angeordnet ist;
3B ein schematisches Blockdiagramm ist, das ein zweites Steuersystem für Gasdurchfluss für eine Brennstoffzelle zeigt, die ein Ventil umfasst, das zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Brenner angeordnet ist,
4A ein schematisches Blockdiagramm ist, das ein drittes Steuersystem für Gasdurchfluss für eine Brennstoffzelle zeigt, das ein Ventil umfasst, das zwischen der Gasversorgung und dem Befeuchter angeordnet ist;
4B ein schematisches Blockdiagramm ist, das ein viertes Steuersystem für Gasdurchfluss für eine Brennstoffzelle zeigt, die ein Ventil umfasst, das zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Brenner angeordnet ist; und
5 ein schematisches Blockdiagramm ist, das ein fünftes Steuersystem für Gasdurchfluss für eine Brennstoffzelle zeigt, die ein Ventil in einer Umgehungsleitung umfasst.
Die folgende detaillierte Beschreibung sieht lediglich bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen vor und ist nicht als Begrenzung des Schutzumfangs, der Anwendbarkeit oder Gestaltung der vorliegenden Erfindung zu verstehen. Vielmehr soll die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen Fachleute in die Lage versetzen, die bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auszuführen. Es sei zu verstehen, dass bezüglich der Funktion wie auch Anordnung der Elemente verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung, der in den angefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.
Das Steuersystem für Gasdurchfluss der vorliegenden Erfindung verwendet eine Umgehungsleitung bzw. Bypassleitung und ein Ventil, um Gas um den Befeuchter wie auch die Brennstoffzelle herum umzuleiten. Die Umgehungsleitung wie auch das Ventil führen das Gas, das an den Brenner umgeleitet wird. Das Umleiten von Gas um den Befeuchter wie auch die Brennstoffzelle herum verringert die Feuchtigkeit des in den Brenner eintretenden Gases und verringert auch die Anforderung an Komponenten des Brennstoffzellensystems. Das Steuersystem für Gasdurchfluss kann in einer einzelnen Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstack (Brennstoffzellenstapel) arbeiten. Das Gas, das umgeleitet wird, ist bevorzugt Luft oder Sauerstoff, das an die Kathodendurchflussleitung der Brennstoffzelle strömt. Das Steuersystem für Gasdurchfluss kann auch dazu verwendet werden, die Brennertemperatur zu steuern.
In 1 ist ein Schnitt einer Brennstoffzellenanordnung 10 gezeigt, die eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 12 umfasst. Bevorzugt ist die Membranelektrodenanordnung eine Protonenaustauschmembran (PEM). Die Membranelektrodenanordnung 12 umfasst eine Membran 14, eine Kathode 16 und eine Anode 18. Das Element 14 ist zwischen einer Innenfläche der Kathode 16 und einer Innenfläche der Anode 18 schichtartig angeordnet.
Ein Kathodendiffusionsmedium 20 ist benachbart der Katho de 16 angeordnet. Ein Anodendiffusionsmedium 24 ist benachbart zu einer Innenfläche, der Anode 18 angeordnet. Die Brennstoffzellenanordnung 10 umfasst ferner eine Kathodendurchflussleitung 26 und eine Anodendurchflussleitung 28. Die Kathodendurchflussleitung 26 empfängt und lenkt Sauerstoff (O₂) von einer Quelle an das Kathodendiffusionsmedium 20. Die Anodendurchflussleitung 28 empfängt und lenkt Wasserstoff (H₂) von einer Quelle an das Anodendiffusionsmedium 24. Um die Be schreibung abzukürzen, steht diese Beschreibung in Verbindung mit Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂). Für Fachleute ist es offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung auch in Systemen verwendet werden kann, die Luft und Reformat verwenden.
Bei der Brennstoffzellenanordnung 10 ist die Membran 14 eine für Kationen permeable Protonen leitende Membran mit H⁺-Ionen als dem mobilen Ion. Das Brennstoffgas ist Wasserstoff (H₂) und das Oxidationsmittel ist Sauerstoff (O₂). Die Gesamtzellenreaktion umfasst die Oxidation von Wasserstoff zu Wasser, und die jeweiligen Reaktionen an der Anode 18 und der Kathode 16 sind wie folgt: H2 = 2H+ +2e– 0,502 + 2H+ + 2e– = H2O
Da Wasserstoff als das Brennstoffgas verwendet wird, ist das Produkt der Gesamtzellenreaktion Wasser. Typischerweise wird das Wasser, das erzeugt wird, von der Kathode 16 abgegeben, die eine poröse Elektrode mit einer Elektrokatalysatorlage auf der Sauerstoffseite ist. Das Wasser kann gesammelt werden, wenn es gebildet wird, und von der MEA 12 der Brennstoffzellenanordnung 10 auf eine beliebige herkömmliche Art und Weise weg befördert werden. Die Zellenreaktion erzeugt einen Protonenaustausch in einer Richtung von dem Anodendiffusionsmedium 24 zu dem Kathodendiffusionsmedium 20. Durch diese Art und Weise erzeugt die Brennstoffzellenanordnung 10 Elektrizität. Eine Last 30 ist elektrisch über die MEA 12 geschaltet (mit anderen Worten ist die Last mit den Platten 32 und 34 verbunden. Wenn die Brennstoffzelle benachbarte Brennstoffzellen besitzen, sind die Platten 32 und/oder 34 bipolare Platten. Wenn keine benachbarten Brennstoffzellen vorhanden sind, sind die Platten 32 und/oder 34 Endplatten).
Um effizient arbeiten und die maximale Menge an Elektrizität erzeugen zu können, muss die Brennstoffzellenanordnung 10 richtig befeuchtet werden. Typischerweise werden der Sauerstoffstrom, der an die Kathodendurchflussleitung 26 geliefert wird und/oder der Wasserstoffstrom, der an die Anodendurchflussleitung 28 geliefert wird, auf eine oder mehrere Arten, die in der Technik bekannt sind, befeuchtet. Bei einer herkömmlichen Methode werden die Anodengase und/oder Kathodengase an eine Membranbefeuchtungseinrichtung gelenkt, bevor sie an die Brennstoffzelle geführt werden. Die Befeuchtungseinrichtung kann entweder außerhalb der Brennstoffzelle vorgesehen sein, oder sie kann einen Abschnitt innerhalb des Brennstoffzellenstapels umfassen. Bei einer anderen Methode kann die Brennstoffzelle auch über Verwendung von wassersaugenden Materialien befeuchtet werden, wie in den U.S.-Patenten 5,935,725 und 5,952,119 offenbart ist, die hier vollständig durch Bezugnahme eingeschlossen sind und Wasser von einem Reservoir an die MEA 12 lenken. Alternativ dazu kann ein Wasserdampf oder Wassernebel (H₂O) in sowohl den Kathodenstrom als auch den Anodenstrom eingespritzt werden, um diese oberstromig oder innerhalb des Brennstoffzellenstapels zu befeuchten. Bei einer noch anderen Methode kann ein Sauerstoffstrom in den Wasserstoffstrom oberstromig der Anodendurchflussleitung 28 eingespritzt werden, damit diese mit einer kleinen Menge an Wasserstoff reagiert, um Wasser zu erzeugen, das den Wasserstoffstrom befeuchtet. Ein Wasserstoffstrom kann in den Sauerstoffstrom oberstromig der Kathode eingespritzt werden, der mit einer kleinen Menge an Sauerstoff reagiert, um Wasser zu erzeugen, das den Sauerstoffstrom befeuchtet.
In 2 ist ein Steuersystem 50 für Gasdurchfluss gemäß dem Stand der Technik gezeigt, das eine Befeuchtungseinrichtung 54, einen Brennstoffzellenstapel 56 und einen Brenner 58 umfasst. Die Befeuchtungseinrichtung 54 erhöht die Feuchte des durch eine Gasversorgung 60 gelieferten Gases. Das Gas, wie beispielsweise Luft oder Sauerstoff, wird typischerweise durch einen Kompressor (nicht gezeigt) an die Gasversorgung 60 geliefert. Die Befeuchtungseinrichtung 54 befeuchtet das Gas, das an einen Einlass der Kathodendurchflussleitung 26 des Brennstoffzellenstapels 56 geliefert wird.
Brennstoffzellen erfordern, dass ein Sauerstoffstrom durch die Kathodendurchflussleitung 26 des Brennstoffzellenstapels 56 geführt wird, um Sauerstoff für den Brennstoffzellenbetrieb zu liefern. Ein wasserstoffreicher Brennstoffstrom gelangt durch die Anodendurchflussleitung 28 des Brennstoffzellenstapels 56, um Wasserstoff für einen Brennstoffzellenbetrieb vorzusehen. Ein Einlass des Brenners 58 ist mit einem Auslass der Anodendurchflussleitung 28 verbunden. Der Brenner 58 wandelt überschüssigen Wasserstoff und Sauerstoff, die durch den Brennstoffzellenstapel geführt werden, in Wasser um. Dies ist eine exotherme Reaktion, und ein Anteil der Wärme, die erzeugt wird, wird in das Brennstoffzellensystem zurückgeführt. Um die Temperatur des Brenners 58 zu steuern, ist es notwendig, die richtige Menge an Sauerstoff an den Brenner 58 zu liefern. Der Sauerstoffstrom wird typischerweise durch den Sauerstoffstrom vorgesehen, der die Kathodendurchflussleitung 26 des Brennstoffzellenstapels 56 verlässt.
Um einen Brennstoffzellenstapel 56 an dem optimalen Punkt zu betreiben, ist es notwendig, die Stöchiometrie der Gasströme zu der Anodendurchflussleitung 28 und der Kathodendurchflussleitung 26 zu steuern. Da der Brennstoffzellenstapel 56 und der Brenner 58 in Reihe angeordnet sind, stellt die gelieferte Durchflussrate das Maximum entweder der erforderlichen Kathodenstöchiometrie oder des Brennersauerstoffstromes, der erforderlich ist, dar. Die Durchflussrate des Sauerstoffstromes, die erforderlich ist, um die Kathodenstöchiometrie zu erfüllen, kann erheblich geringer als die des Sauerstoffstroms sein, der von dem Brenner 58 benötigt wird. Die Konstruktion in 2 ist daher nicht so effizient, wie es möglich wäre. Daher existiert auch ein zusätzlicher Druckabfall infolge überschüssiger Luft, die durch den Brennstoffzellenstapel 56 gelangt. Der Druckabfall erhöht die Last auf den Kompressor (nicht gezeigt), was den Gesamtsystemwirkungsgrad verringert.
Zusätzlich erfordert die Kathodendurchflussleitung 26 des Brennstoffzellenstapels 56 ein gewisses Maß an Befeuchtung für einen richtigen Betrieb. Der Brenner 58 erfordert andererseits nicht unbedingt befeuchtete Luft. Die Leistungsfähigkeit des Brenners 58 kann durch den hohen Wassergehalt des Sauerstoffstromes, der in den Brenner 58 eintritt, beeinträchtigt werden. Das zusätzliche Wasser wie auch die zusätzliche Wärme, die dazu verwendet wird, um den Sauerstoff zu befeuchten, der nicht durch die Kathode 16 benötigt wird, führt zu der Verwendung von größeren Befeuchtungseinrichtungen.
In 3A sind dort die Bezugszeichen von 2 verwendet worden, an denen es geeignet erschien, gleiche Elemente zu bezeichnen. Ein Steuersystem 75 für Gasdurchfluss für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Sensor 78 für die Gasdurchflussrate, der die Durchflussrate des Gasstroms (wie beispielsweise Luft oder Sauerstoff) der in die Befeuchtungseinrichtung 54 eintritt, misst. Der Sensor für die Gasdurchflussrate kann ein virtueller Sensor sein, der über Softwaremodellierung implementiert ist oder kann ein anderer geeigneter Sensor für die Durchflussrate sein. Eine Gasumgehung umfasst ein Ventil 84, das zwischen der Gasversorgung und dem Einlass der Befeuchtungseinrichtung 54 angeordnet ist. Eine Umgehungsleitung 80 besitzt ein Ende, das zwischen die Gasversorgung und das Ventil 84 geschaltet ist. Ein gegenüberliegendes Ende der Bypassleitung bzw. Umgehungsleitung 80 ist zwischen den Auslass des Brennstoffzellenstapels 56 und den Einlass des Brenners 58 geschaltet. Eine Durchflusssteuerung 90 ist mit dem Sensor 78 für die Gasdurchflussrate wie auch dem Ventil 84 verbunden. Die Durchflusssteuerung 90 kann eine elektronische Schaltung, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein Mikroprozessor und Speicher oder eine andere geeignete Steuerschaltung sein.
Das Ventil 84 ist bevorzugt ein Gasbegrenzungsventil oder ein Drosselventil. Für Fachleute ist es offensichtlich, dass der Sensor 78 für die Gasdurchflussrate an anderen Positionen angeordnet sein kann, wie beispielsweise in der Bypassleitung 80. Typischerweise ist die Gasdurchflussrate des Ausgangs des Kompressors (beispielsweise der Gasversorgung 60) bekannt. Beispielsweise wird ein Drahtmanometer bzw. -anemometer verwendet, um eine Gasdurchflussrate von dem Kompressor zu messen und/oder die Drehzahl wie auch das Druckverhältnis des Kompressors werden dazu verwendet, die Gasdurchflussrate abzuleiten. Während der Sensor 78 für die Gasdurchflussrate nach der Befeuchtungseinrichtung 54 oder dem Brennstoffzellenstapel 56 angeordnet sein kann, ist diese Position weniger erwünscht, da die Neigung besteht, dass sich Wasser an dem Drahtmanometer sammelt, was die Genauigkeit verringert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ventil 84 ähnlich einem herkömmlichen Drosselventil, das in Verbrennungsmotoren verwendet wird.
Im Gebrauch steuert das Steuersystem 75 für den Gasdurchfluss Gas, das durch einen ersten Weg strömt, der die Befeuchtungseinrichtung 54 wie auch die Kathodendurchflussleitung 26 des Brennstoffzellenstapels 56 umfasst, und durch einen zweiten Weg, der die Umgehungsleitung 80 umfasst. Das Steuersystem 75 für Gasdurchfluss verringert den Systemdruckabfall, indem ein Anteil des Brennergases durch einen zweiten Weg um die Befeuchtungseinrichtung 54 und den Brennstoffzellenstapel herum umgelenkt wird. Wenn die Durchflusssteuerung 90 bestimmt, dass von der Kathodendurchflussleitung 26 weniger Sauerstoff benötigt wird, lenkt die Durchflusssteuerung 90 mehr Luft in den zweiten Weg und weniger Luft in den ersten Weg. Wenn die Durchflusssteuerung 90 bestimmt, dass von der Kathodendurchflussleitung 26 mehr Sauerstoff benötigt wird, lenkt die Durchflusssteuerung 90 weniger Luft durch den zweiten Weg und mehr Luft durch den ersten Weg.
Bei bestimmten Systembetriebsarten, wenn der Brennstoffzellenstapel 56 nicht arbeitet, wird das Ventil 84 geschlossen. Das gesamte Gas strömt dabei durch den zweiten Weg. Wenn der Brennstoffzellenstapel 56 in Betrieb ist, erlauben das Ventil 84 und die Steuerung 90 nur den notwendigen Gasdurchfluss durch den ersten Weg, der erforderlich ist, um die Kathode 16 mit der richtigen Stöchiometrie zu betreiben. Der Rest des Gasdurchflusses wird durch den zweiten Weg umgelenkt. Da das überschüssige Gas, das durch den zweiten Weg strömt, nicht durch die Befeuchtungseinrichtung 54 strömt, kann die Größe der Befeuchtungseinrichtung verringert werden, da die Wärmelast- und Wasserverwendungsanforderungen ausschließlich von den Stöchiometrieanforderungen der Kathode 16 des Brennstoffzellenstapels 56 abhängen.
An dem Auslass der Kathodendurchflussleitung 26 des Brennstoffzellenstapels 56 werden die beiden Gasströme wieder zusammengeführt, um ein Gas für den Brenner 58 vorzusehen. Das Ventil 84 ist bevorzugt so ausgebildet, dass es in einer geschlossenen Stellung ausfällt, was die gesamte Gasströmung durch den zweiten Weg drängt und verhindert, dass Gas in den ersten Weg eintreten kann. Dies ist die gewünschte ausfallsichere Betriebsart für das Brennstoffzellensystem.
In 3B sind Bezugszeichen der 2 und 3A verwendet worden, wo es geeignet erschien, gleiche Elemente zu bezeichnen. Ein Steuersystem 100 für Gasdurchfluss für eine Brennstoffzelle umfasst den Sensor 78 für die Gasdurchflussrate, der die Durchflussrate von in die Befeuchtungseinrichtung 54 eintretendem Gas misst. Eine Gasumgehung umfasst eine Bypassleitung 102 mit einem Ende, das mit dem Auslass des Ventils 84 verbunden ist. Für Fachleute ist es offensichtlich, dass der Sensor 78 für Gasdurchflussrate an anderen Positionen angeordnet sein kann, wie oben beschrieben ist. Das Ventil 84 ist zwischen den Auslass des Brennstoffzellenstapels 56 und den Einlass des Brenners 58 geschaltet. Ein Ende der Bypassleitung 102 ist zwischen die Gasversorgung 60 und den Einlass des Befeuchters 54 geschaltet. Ein gegenüberliegendes Ende der Bypassleitung 102 ist zwischen das Ventil 84 und den Einlass des Brenners 58 geschaltet. Die Durchflusssteuerung 90 ist mit dem Sensor 78 für Gasdurchflussrate und dem Ventil 84 verbunden. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Ventil 84 ähnlich einem herkömmlichen Drosselventil, das in Verbrennungsmotoren verwendet wird. Ein Betrieb des Steuersystems 100 für Gasdurchfluss ist ähnlich demjenigen, der oben unter Bezugnahme auf 3A beschrieben ist.
In 4A sind Bezugszeichen der 2 und 3A verwendet worden, wo es geeignet erschien, gleiche Elemente zu bezeichnen. Ein Steuersystem 110 für Gasdurchfluss umfasst den Sensor 78 für Gasdurchflussraten, der die Durchflussrate von an die Befeuchtungseinrichtung 54 eintretendem Gas misst. Eine Gasumgehung umfasst eine Bypassleitung 112 mit einem Ende, die mit einem Ventil 114 verbunden ist. Das Ventil 114 ist bevorzugt ein Wegeventil. Für Fachleute ist es offensichtlich, dass der Sensor 78 für Gasdurchflussrate an anderen Positionen angeordnet sein kann, wie vorher oben beschrieben wurde. Das Ventil 114 ist zwischen die Gasversorgung 60 und den Einlass der Befeuchtungseinrichtung 54 geschaltet. Ein Ende der Bypassleitung 112 ist mit dem Ventil 114 verbunden. Ein entgegengesetztes Ende der Bypassleitung 112 ist zwischen den Auslass des Brennstoffzellenstapels 56 und den Einlass des Brenners 58 geschaltet. Die Durchflusssteuerung 90 ist mit dem Sensor 78 für Gasdurchflussrate und dem Ventil 114 verbunden. Ein Betrieb des Steuersystems 110 für Gasdurchfluss ist ähnlich zu dem, das oben unter Bezugnahme auf die 3A und 3B beschrieben wurde.
In 4B sind Bezugszeichen der 2 und 4A verwendet worden, wo es geeignet erschein, gleiche Elemente zu bezeichnen. Ein Steuersystem 120 für Gasdurchfluss für eine Brennstoffzelle umfasst den Sensor 78 für Gasdurchflussrate, der die Durchflussrate von in die Be feuchtungseinrichtung 54 eintretendem Gas misst. Eine Gasumgehung umfasst eine Bypassleitung 122 mit einem Ende, die mit dem Ventil 114 verbunden ist. Für Fachleute ist es offensichtlich, dass der Sensor 78 für die Gasdurchflussrate an anderen Positionen angeordnet sein kann, wie vorher oben beschrieben wurde. Das Ventil 114 ist zwischen den Brennstoffzellenstapel 56 und den Einlass des Brenners 58 geschaltet. Ein Ende der Bypassleitung 122 ist zwischen die Gasversorgung 60 und den Einlass der Befeuchtungseinrichtung 54 geschaltet. Ein entgegengesetztes Ende der Bypassleitung 122 ist mit dem Ventil 114 verbunden. Die Durchflusssteuerung 90 ist mit dem Sensor 78 für Gasdurchflussrate und dem Ventil 114 verbunden. Ein Betrieb des Steuersystems 110 für Gasdurchfluss ist ähnlich demjenigen, das oben unter Bezugnahme auf die 3A, 3B und 4A beschrieben ist.
Für Fachleute ist es offensichtlich, dass der Durchmesser der Umgehungsleitungen 80, 102, 112 und 122 angemessen bemessen sein muss, um einen Kurzschlusszustand zu vermeiden, bei dem die gesamte Luft um den Brennstoffzellenstapel herum strömt. Die Bypassleitungen 80, 102, 112 und 122 müssen klein genug sein oder eine Begrenzung aufweisen, so dass die Strömung zwischen den Wegen aufgeteilt wird. Der Durchmesser und/oder die Begrenzung der Bypassleitung sollte so bemessen sein, um eine gute Strömungsauflösung basierend auf der Bewegung der Ventile vorzusehen.
In 5 sind Bezugszeichen der 2 und 3A verwendet worden, wo es geeignet erschien, gleiche Elemente zu bezeichnen. Ein Steuersystem 130 für Gasdurchfluss gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst den Sensor 78 für Gasdurchflussrate, der die Durchflussrate von in die Befeuchtungseinrichtung 54 eintretendem Gas misst. Eine Gasumgehung umfasst eine Umgehungsleitung 132 mit einem Ende, das zwischen die Gasversorgung 60 und den Einlass der Befeuchtungseinrichtung 54 geschaltet ist. Das Ventil 84 ist in der Bypassleitung 132 angeordnet. Für Fachleute ist es offensichtlich, dass der Sensor 78 für die Gasdurchflussrate in anderen Positionen angeordnet sein kann, wie oben beschrieben wurde. Ein gegenüberliegendes Ende der Bypassleitung 132 ist zwischen den Auslass des Brennstoffzellenstapels 56 und den Einlass des Brenners 58 geschaltet. Die Durchflusssteuerung 90 ist mit dem Sensor 78 für die Gasdurchflussrate wie auch dem Ventil 84 verbunden.
Das Steuersystem für Gasdurchfluss für eine Brennstoffzelle gemäß der Erfindung sieht eine Steuerung für die Strömung von Gas zu der Brennstoffzelle und dem Brenner vor. Eine variable Steuerung der Stöchiometrie der Kathodendurchflussleitung maximiert einen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle. Steuersysteme für den Gasdurchfluss erlauben, dass eine kleinere Befeuchtungseinrichtung verwendet werden kann, und verringern thermische Last- und Wasserverwendungsanforderungen des Brennstoffzellensystems. Das Steuersystem für Gasdurchfluss besitzt niedrigere Systemdruckabfälle infolge der Umleitung eines Anteils von Gas um die Brennstoffzelle herum. Das Steuersystem für Gasdurchfluss sieht einen ausfallsicheren Betrieb des Brenners vor, in dem zugelassen wird, dass die gesamte verfügbare Kühlluft in dem Fall einer Notfallabschaltung an den Brenner umgelenkt wird. Ohne Brennstoff kühlt der Brenner ab. Das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung ist kostengünstiger, kleiner und leichter infolge des hier beschriebenen Steuersystems für den Gasdurchfluss.
Für Fachleute wird es aus der vorhergehenden Beschreibung offensichtlich, dass die breiten Lehren der vorliegenden Erfindung auf eine Vielzahl von Arten ausgeführt werden können. Daher ist, während diese Erfindung in Verbindung mit bestimmten Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, der Schutzumfang der Erfindung nicht darauf begrenzt, da andere Abwandlungen für Fachleute aus der Beschreibung, den Ansprüchen wie auch den begleitenden Zeichnungen offensichtlich werden.
Zusammenfassung
Ein Steuersystem für Gasdurchfluss für eine Brennstoffzelle umfasst eine Gasversorgung und eine Befeuchtungseinrichtung. Ein Brennstoffzellenstapel umfasst eine Kathodendurchflussleitung mit einem Einlass und einem Auslass. Der Einlass der Kathodendurchflussleitung ist mit dem Auslass der Befeuchtungseinrichtung verbunden. Ein Brenner umfasst einen Einlass, der Gas von dem Auslass der Kathodendurchflussleitung aufnimmt. Ein Ventil und eine Bypassleitung lenken Gas um die Befeuchtungseinrichtung und den Brennstoffzellenstapel herum an den Brenner um. Das Ventil ist bevorzugt ein Gasbegrenzungsventil, ein Drosselventil oder ein Wegeventil. Ein Gasdurchflusssensor erzeugt ein Gasdurchflusssignal basierend auf Gas, das durch zumindest eines der Elemente Befeuchtungseinrichtungen, Kathodendurchflussleitung des Brennstoffzellenstapels und Bypassleitung strömt. Eine Durchflusssteuerung, die mit dem Gasdurchflusssensor und dem Ventil verbunden ist, steuert das Ventil basierend auf dem Gasdurchflusssignal.

Claims

Steuersystem für Gasdurchfluss für eine Brennstoffe mit: einer Gasversorgung; einer Befeuchtungseinrichtung mit einem Einlass, der mit der Gasversorgung verbunden ist, und einem Auslass; einem Brennstoffzellenstapel mit einer Kathodendurchflussleitung, die einen Einlass und einen Auslass aufweist, wobei der Einlass der Kathodendurchflussleitung mit dem Auslass der Befeuchtungseinrichtung verbunden ist; und einem Brenner, der einen Einlass umfasst, der Gas von dem Auslass der Kathodendurchflussleitung aufnimmt; wobei eine Bypassleitung ein Ende aufweist, das zwischen die Gasversorgung und den Einlass der Befeuchtungseinrichtung geschaltet ist, und ein entgegengesetztes Ende aufweist, das zwischen den Auslass der Kathodendurchflussleitung und den Einlass des Brenners geschaltet ist; und einem Ventil, das in der Bypassleitung angeordnet ist.
Steuersystem für Gasdurchfluss nach Anspruch 1, wobei das Ventil entweder ein Gasbegrenzungsventil oder ein Drosselventil ist.
Steuersystem für Gasdurchfluss nach Anspruch 1, wobei das Ventil die Menge an Gas steuert, das von der Gasversorgung durch die Be feuchtungseinrichtung an den Brennstoffzellenstapel und durch die Bypassleitung an den Brenner strömt.
Steuersystem für Gasdurchfluss nach Anspruch 1, ferner mit: einem Gasdurchflusssensor zur Erzeugung eines Gasdurchflusssignals basierend auf dem Gasdurchfluss durch zumindest eines der Elemente Befeuchtungseinrichtung, Kathodendurchflussleitung des Brennstoffzellenstapels und Bypassleitung; und einer Durchflusssteuerung, die mit dem Gasdurchflusssensor und dem Ventil verbunden ist, um das Ventil basierend auf dem Gasdurchflusssignal zu steuern.
Steuersystem für Gasdurchfluss für eine Brennstoffzelle mit: einer Gasversorgung; einer Befeuchtungseinrichtung mit einem Einlass, der mit der Gasversorgung verbunden ist, und einem Auslass; einem Brennstoffzellenstapel mit einer Kathodendurchflussleitung, die einen Einlass und einen Auslass aufweist, wobei der Einlass der Kathodendurchflussleitung mit dem Auslass der Befeuchtungseinrichtung verbunden ist; und einem Brenner, der einen Einlass umfasst, der mit dem Auslass der Kathodendurchflussleitung verbunden ist; einem Ventil, das zwischen der Gasversorgung und dem Einlass der Befeuchtungseinrichtung angeordnet ist; und einer Bypassleitung mit einem Ende, das zwischen die Gasversorgung und das Ventil geschaltet ist, und einem entgegengesetzten Ende, das zwischen den Auslass der Kathodendurchflussleitung und den Einlass des Brenners geschaltet ist.
Steuersystem für Gasdurchfluss nach Anspruch 5, wobei das Ventil entweder ein Gasbegrenzungsventil oder ein Drosselventil ist.
Steuersystem für Gasdurchfluss nach Anspruch 5, wobei das Ventil die Menge an Gas steuert, das von der Gasversorgung durch die Befeuchtungseinrichtung an den Brennstoffzellenstapel und durch die Bypassleitung an den Brenner strömt.
Steuersystem für Gasdurchfluss nach Anspruch 5, ferner mit: einem Gasdurchflusssensor zur Erzeugung eines Gasdurchflusssignals basierend auf der Gasdurchflussrate durch zumindest eines der Elemente Befeuchtungseinrichtung, Kathodendurchflussleitung des Brennstoffzellenstapels und Bypassleitung; und einer Durchflusssteuerung, die mit dem Gasdurchflusssensor und dem Ventil verbunden ist, um das Ventil basierend auf dem Gasdurchflusssignal zu steuern.
Steuersystem für Gasdurchfluss für eine Brennstoffzelle mit: einer Gasversorgung; einer Befeuchtungseinrichtung mit einem Einlass, der mit der Gasversorgung verbunden ist, und einem Auslass; einem Brennstoffzellenstapel mit einer Kathodendurchflussleitung, die einen Einlass und einen Auslass aufweist, wobei der Einlass der Kathodendurchflussleitung mit dem Auslass der Befeuchtungseinrichtung verbunden ist; einem Brenner, der einen Einlass umfasst, der mit dem Auslass der Kathodendurchflussleitung verbunden ist; einem Ventil, das zwischen dem Auslass der Kathodendurchflussleitung und dem Einlass des Brenners angeordnet ist; und einer Bypassleitung mit einem Ende, das zwischen die Gasversorgung und den Einlass der Befeuchtungseinrichtung geschaltet ist, und einem entgegengesetzten Ende, das zwischen das Ventil und den Einlass des Brenners geschaltet ist.
Steuersystem für Gasdurchfluss nach Anspruch 9, wobei das Ventil entweder ein Gasbegrenzungsventil oder ein Drosselventil ist.
Steuersystem für Gasdurchfluss nach Anspruch 9, wobei das Ventil die Menge an Gas steuert, das von der Gasversorgung durch die Befeuchtungseinrichtung an den Brennstoffzellenstapel und durch die Bypassleitung an den Brenner strömt.
Steuersystem für Gasdurchfluss nach Anspruch 9, ferner mit: einem Gasdurchflusssensor zur Erzeugung eines Gasdurchflusssignals basierend auf dem Gasdurchfluss durch zumindest eines der Elemente Befeuchtungseinrichtung, Kathodendurchflussleitung des Brennstoffzellenstapels und Bypassleitung; und einer Durchflusssteuerung, die mit dem Gasdurchflusssensor und dem Ventil verbunden ist, um das Ventil basierend auf dem Gasdurchflusssignal zu steuern.
Steuersystem für Gasdurchfluss für eine Brennstoffzelle mit: einer Gasversorgung; einer Befeuchtungseinrichtung mit einem Einlass, der mit der Gasversorgung verbunden ist, und einem Auslass; einem Brennstoffzellenstapel mit einer Kathodendurchflussleitung, die einen Einlass und einen Auslass aufweist, wobei der Einlass der Kathodendurchflussleitung mit dem Auslass der Befeuchtungseinrichtung verbunden ist; und einem Brenner, der einen Einlass umfasst, der mit dem Auslass der Kathodendurchflussleitung verbunden ist; einem Ventil, das zwischen der Gasversorgung und dem Einlass der Befeuchtungseinrichtung angeordnet ist; und einer Bypassleitung mit einem Ende, das mit dem Ventil verbunden ist und einem entgegengesetzten Ende, das zwischen den Auslass der Kathodendurchflussleitung und den Einlass des Brenners geschaltet ist.
Steuersystem für Gasdurchfluss nach Anspruch 13, wobei das Ventil ein Wegeventil ist.
Steuersystem für Gasdurchfluss nach Anspruch 13, wobei das Ventil die Menge an Gas steuert, das von der Gasversorgung durch die Befeuchtungseinrichtung an den Brennstoffzellenstapel und durch die Bypassleitung an den Brenner strömt.
Steuersystem für Gasdurchfluss nach Anspruch 13, ferner mit: einem Gasdurchflusssensor zur Erzeugung eines Gasdurchflusssignals basierend auf dem Gasdurchfluss durch zumindest eines der Elemente Befeuchtungseinrichtung, Kathodendurchflussleitung des Brennstoffzellenstapels und Bypassleitung; und einer Durchflusssteuerung, die mit dem Gasdurchflusssensor und dem Ventil verbunden ist, um das Ventil basierend auf dem Gasdurchflusssignal zu steuern.
Steuersystem für Gasdurchfluss für eine Brennstoffzelle mit: einer Gasversorgung; einer Befeuchtungseinrichtung mit einem Einlass, der mit der Gasversorgung verbunden ist, und einem Auslass; einem Brennstoffzellenstapel mit einer Kathodendurchflussleitung, die einen Einlass und einen Auslass aufweist, wobei der Einlass der Kathodendurchflussleitung mit dem Auslass der Befeuchtungseinrichtung verbunden ist; und einem Brenner, der einen Einlass umfasst, der mit dem Auslass der Kathodendurchflussleitung verbunden ist; einem Ventil, das zwischen dem Auslass des Brennstoffzellenstapels und dem Einlass des Brenners angeordnet ist; und einer Bypassleitung mit einem Ende, das zwischen die Gasversorgung und den Einlass der Befeuchtungseinrichtung geschaltet ist, und einem entgegengesetzten Ende, das mit dem Ventil verbunden ist.
Steuersystem für Gasdurchfluss nach Anspruch 17, wobei das Ventil ein Wegeventil ist.
Steuersystem für Gasdurchfluss nach Anspruch 17, wobei das Ventil die Menge an Gas steuert, das von der Gasversorgung durch die Befeuchtungseinrichtung an den Brennstoffzellenstapel und durch die Bypassleitung an den Brenner strömt.
Steuersystem für Gasdurchfluss nach Anspruch 17, ferner mit: einem Gasdurchflusssensor zur Erzeugung eines Gasdurchflusssignals basierend auf dem Gasdurchfluss durch zumindest eines der Elemente Befeuchtungseinrichtung, Kathodendurchflussleitung des Brennstoffzellenstapels und Bypassleitung; und einer Durchflusssteuerung, die mit dem Gasdurchflusssensor und dem Ventil verbunden ist, um das Ventil basierend auf dem Gasdurchflusssignal zu steuern.