DE10359579A1

DE10359579A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Entfernen von Rückständen in einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE10359579A1
Application number: DE10359579A
Authority: DE
Inventors: Sae Hoon Kim
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2023-12-19
Also published as: CN1265491C; US7232622B2; JP3742893B2; CN1577936A; KR100527464B1; KR20050007647A; DE10359579B4; JP2005032697A; US20050008928A1

Abstract

Wenn das Antreiben eines Brennstoffzellensystems beendet ist, werden Rückstände im Brennstoffzellensystem, wie beispielsweise Wasser, Brenngas und Oxidationsmittel, durch das in einem mit den Strömungsfeldern des Brennstoffzellensystems verbundenen Adsorbertank gespeicherte Adsorptionsmittel entfernt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
(a) Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und genauer eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Entfernen von Rückständen in einem Brennstoffzellensystem, wie z.B. einem Oxidationsmittel, einem Brenngas und Wasser.

(b) Beschreibung der verwandten Technik

Im Allgemeinen erzeugt ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstack, einem Strömungsfeld des Oxidationsmittels, einem Strömungsfeld des Brenngases und einem Strömungsfeld des Kühlmittels elektrische Energie unter Anwendung einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidationsmittel und ist mit einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA) versehen.

Die MEA weist ein Membranelektrolyt auf, welches zwischen einer mit einem befeuchteten Brenngas versorgten Anode und einer mit einem befeuchteten Oxidationsmittel versorgten Kathode liegt. Die MEA liegt wiederum zwischen zwei Separatoren, bei welchen Strömungsfelder, welche als eine Vielzahl an Kanälen oder Schlitzen definiert sind, zum Abfließen des Brenngases und Oxidationsmittels gebildet sind.

Außerdem ist das Brennstoffzellensystem mit einem Strömungsfeld des Kühlmittels zum Kühlen des Brennstoffzellenstacks versehen.

Das Strömungsfeld des Oxidationsmittels, das des Brenngases und das des Kühlmittels sind jeweils mit einer Pumpe, einem Gebläse und einer Vielzahl von Ventilen etc. versehen.

Wenn eine wie oben beschriebene Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenfahrzeug adaptiert ist, wird die Brennstoffzelle in Abhängigkeit davon, ob das Fahrzeug angetrieben wird oder nicht, wiederholt ein und aus geschaltet. Wenn die Brennstoffzelle angetrieben wird, wird durch die elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle erzeugtes Wasser abgelassen, aber wenn die Brennstoffzelle aufhört zu arbeiten, bleibt nicht abgelassenes Wasser im Brennstoffzellenstack zurück. Wenn die Brennstoffzelle nach dem Antreiben aufhört zu arbeiten, bleiben außerdem auch das befeuchtete Brenngas und das befeuchtete Oxidationsmittel in den Strömungsfeldern in der Vielzahl an Schlitzen oder Kanälen zurück. Wenn die Lufttemperatur auf eine niedrige Temperatur fällt, kann das Wasser der Rückstände zum gefrieren gebracht werden, wodurch der Betrieb der MEA der Brennstoffzelle verschlechtert wird und die Strömungsfelder sowie die mit allen Strömungsfeldern versehenen Teile blockiert werden.

Um die Sicherheit der Brennstoffzelle zu gewährleisten bedarf es folglich der Entfernung von Rückständen im Brennstoffzellensystem, nachdem die Brennstoffzelle ausgeschaltet wurde.

Um das oben beschriebene Problem zu lösen, werden die Rückstände in der Brennstoffzelle herkömmlich durch das Ausblasen mit Stickstoff entfernt. Wenn das Ausblasen mit Stickstoff angewendet wird, werden jedoch zusätzliche Vorrichtungen benötigt, wie z.B. ein Speichertank für Stickstoff und eine Steuerung zum Einstellen des Drucks des Stickstoffs, und der Speichertank muss wiederholt neu aufgefüllt werden. Zum vollständigen Entfernen des Wassers der Rückstände wird außerdem sehr viel Zeit und ein hohen Verbrauch von Stickstoff benötigt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Folglich ist es die Aufgabe dieser Erfindung die oben beschriebenen Schwierigkeiten zu lösen und eine Vorrichtung zum Entfernen von Rückständen in einer Brennstoffzelle, wie z.B. einem Oxidationsmittel, einem Brenngas und Wasser, und ein Verfahren derselben zu liefern.

Eine beispielhafte Vorrichtung zum Entfernen von Rückständen in einem Brennstoffzellensystem mit einer Vielzahl an Strömungsfeldern für ein Brenngas und ein Oxidationsmittel weist einen Adsorbertank, welcher darin ein Adsorptionsmittel zum Adsorbieren der vom Brennstoffzellensystem gesendeten Rückstände speichert; eine am Adsorbertank angeschlossene Vakuumpumpe zum Trennen der zum Adsorptionsmittel adsorbierten Rückstände; ein Druckmesser zum Bestimmen des Drucks des Adsorbertanks; erste auf Einlassdurchgängen zu den Strömungsfeldern befestigte Absperrventile; zweite auf Ausgangsdurchgängen von den Strömungsfeldern befestigte Absperrventile; dritte Absperrventile, welche auf den Einlassdurchgängen zum Adsorbertank befestigt sind, welche von den Auslassdurchgängen zwischen den Strömungsfeldern und den zweiten Absperrventilen divergieren; und ein viertes Absperrventil auf, welches auf einem Auslassdurchgang vom Adsorbertank zur Vakuumpumpe befestigt ist.

Ein beispielhaftes Verfahren zum Entfernen von Rückständen in einem Brennstoffzellensystem mit einer Vielzahl an Strömungsfeldern für ein Brenngas und ein Oxidationsmittel umfasst das Isolieren der Einlass- und Auslassdurchgänge der Vielzahl an Strömungsfeldern, wenn der Brennstoffzellenstack nicht mehr angetrieben wird; das Verbinden der Vielzahl an Strömungsfeldern mit einem Adsorbertank, welcher ein Adsorptionsmittel zum Adsorbieren der Rückstände im Brennstoffzellensystem speichert; und das Trennen der zum Adsorptionsmittel adsorbierten Rückstände durch das Antreiben einer mit dem Adsorbertank verbundenen Vakuumpumpe.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die beiliegenden Zeichnungen, welche in der Patentschrift enthalten sind und einen Teil derselben bilden, veranschaulichen eine Ausführungsform der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären.

1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Entfernen von Rückständen in einem Brennstoffzellensystem nach der ersten Ausführungsform dieser Erfindung;

2 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Entfernen von Rückständen in einem Brennstoffzellensystem nach der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung;

3 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Entfernen von Rückständen in einem Brennstoffzellensystem nach der dritten Ausführungsform dieser Erfindung; und

4 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Entfernen von Rückständen in einem Brennstoffzellensystem nach der vierten Ausführungsform dieser Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen im Folgenden detailliert beschrieben werden.

1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Entfernen von Rückständen in einem Brennstoffzellensystem nach der ersten Ausführungsform dieser Erfindung.

Wie in 1 gezeigt weist ein Brennstoffzellensystem 200 eine Vielzahl an Strömungsfeldern darin auf. Die Vielzahl an Strömungsfeldern enthält ein Strömungsfeld für ein Oxidationsmittel 210, ein Strömungsfeld für ein Brenngas 220 und ein Strömungsfeld für ein Kühlmittel 230. Die Strömungsfelder 210, 220, 230 sind jeweils mit Einlassdurchgängen und Aunlassdurchgängen verbunden.

Erste Absperrventile 100 sind auf den Einlassdurchgängen zum Brennstoffzellensystem 200 und zweite Absperrventile 300 sind auf den Auslassdurchgängen des Brennstoffzellensystems 200 befestigt.

Die Einlassdurchgänge zu einem Adsorbertank 500 divergieren von den Auslassdurchgängen zwischen den Strömungsfeldern 210, 220, 230 und den zweiten Absperrventilen 300 durch dritte Absperrventile 400, welche auf den Einlassdurchgängen zum Adsorbertank 500 befestigt sind.

Ein Auslassdurchgang vom Adsorbertank 500 ist an einer Vakuumpumpe 700 durch ein viertes Absperrventil 600 angeschlossen, welches auf dem Auslassdurchgang vom Adsorbertank 500 befestigt ist.

Der Adsorbertank 500 enthält Adsorptionsmittel, welche zum Adsorbieren eines Brenngases, Oxidationsmittels und von Wasser fähig sind. Vorzugsweise wird das Adsorptionsmittel als Zeolith oder Silikagel vorgesehen.

Im Adsobertank 500 ist eine Vielzahl an sich überall im Adsorbertank 500 befindenden Adsorberschichten gebildet, so dass ein bestimmtes Adsorptionsmittel gemäß Bestandteil der Rückstände ausgewählt werden kann.

Außerdem ist ein Druckmesser 800 auf dem Adsorbertank 500 befestigt, um den Druck des Adsorbertanks zu bestimmen.

Die Vakuumpumpe 700 ist am Adsorbertank 500 angeschlossen, so dass durch das Adsorptionsmittel im Adsorbertank 500 adsorbierte Rückstände, wie z.B. Brenngas, Oxidationsmittel und Wasser, durch den Betrieb der Vakuumpumpe 700 entfernt werden.

Vorzugsweise ist eine Kühlmittelablasspumpe auf dem Auslassdurchgang vom Strömungsfeld für das Kühlmittel 230 befestigt, so dass das nach dem Antreiben des Brennstoffzellensystems 200 übrige Kühlmittel abgelassen wird.

Im Folgenden wird der Betrieb der Vorrichtung zum Entfernen von Rückständen im Brennstoffzellensystem beschrieben.

Während dem Betrieb der Brennstoffzelle sind die ersten Absperrventile 100 (100a, 100b, 100c) und die zweiten Absperrventile 300 (300a, 300b, 300c) geöffnet und die dritten Absperrventile 400 (400a, 400b, 400c) geschlossen.

Wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems 200 stoppt, lässt die elektrochemische Reaktion im Brennstoffzellensystem 200 nach.

Folglich bleiben in den im Brennstoffzellensystem 200 gebildeten Strömungsfeldern 210, 220 während dem Betrieb des Brennstoffzellensystem zugeführtes Brenngas und Oxidationsmittel, und durch die elektrochemische Reaktion erzeugtes Wasser als Rückstände zurück. Insbesondere bleiben Oxidationsmittel und Wasser im Strömungsfeld für das Oxidationsmittel 210, Brenngas und Wasser im Strömungsfeld für das Brenngas 220 und Kühlmittel im Strömungsfeld für das Kühlmittel 230 im Brennstoffzellensystem 200 zurück.

Wenn das Kühlmittel im Strömungsfeld für das Kühlmittel 230 Wasser ist, kann dieses zusammen mit dem während der elektrochemischen Reaktion erzeugten Wasser zum Gefrieren gebracht werden, wenn die Lufttemperatur auf eine niedrige Temperatur fällt. Folglich wird die am Auslassdurchgang vom Strömungsfeld für das Kühlmittel 230 angeschlossene Kühlmittelablasspumpe so betrieben, dass das Kühlmittel zur Außenseite des Brennstoffzellensystems 200 abgelassen wird. Aber obwohl die Kühlmittelablasspumpe angetrieben wird, bleibt eine kleine Menge des Kühlmittels im Strömungsfeld für das Kühlmittel 230 zurück, so dass es notwendig ist, das übrige Kühlmittel vollständig durch das unten beschriebene Adsorptionsverfahren zu entfernen.

Als Alternative ist es, wenn das Kühlmittel als eine gefrierfeste Lösung vorgesehen ist nicht notwendig, das Kühlmittel zu entfernen und daher sind die Vielzahl an Durchgängen, welche am Strömungsfeld für das Kühlmittel 230 angeschlossen sind, die Absperrventile 100c, 300c, 400c und die Kühlmittelablasspumpe weggelassen.

Wenn das Ablassen des Kühlmittels vollendet ist, werden die ersten Absperrventile 100 (100a, 100b, 100c) und die zweiten Absperrventile 300 (300a, 300b, 300c) geschlossen. Folglich sind die Strömungsfelder 210, 220, 230 isoliert und anschließend werden die dritten Absperrventile 400 (400a, 400b, 400c) geöffnet, so dass die Strömungsfelder 210, 220, 230 des Brennstoffzellensystems 200 mit dem Adsorbertank 500 in Verbindung stehen.

Folglich wird die in den Strömungsfeldern 210, 220, 230 des Brennstoffzellensystems 200 zurückbleibende Menge der Rückstände durch das Adsorbieren des Adsorptionsmittels im Adsorbertank 500 verringert.

Folglich bewegen sich das Brenngas, das Oxidationsmittel und das Wasser, welche in den Strömungsfeldern 210, 220, 230 zurückbleiben, zum Adsorbertank 500, bis das Adsorptionsmittel des Adsorbertanks 500 gesättigt ist, so dass die Menge der Rückstände in den Strömungsfeldern 210, 220, 230 basierend auf der Menge des Adsorptionsmittels im Adsorbertank 500 gesteuert werden kann.

Wenn das Antreiben des Brennstoffzellensystems 200 wieder gestartet wird, nachdem die Rückstände in das Adsorptionsmittel adsorbiert wurden, werden die ersten Absperrventile 100 (100a, 100b, 100c) und die zweiten Absperrventile 300 (300a, 300b, 300c) geöffnet und die dritten Absperrventile 400 (400a, 400b, 400c) geschlossen.

Wenn das Brennstoffzellensystem 200 angetrieben wird, kann die Temperatur des Brennstoffzellensystems 200 einen Bereich von 60~80☐ erreichen und die vom Brennstoffzellensystem 200 ausgestrahlte Wärme wird zum Adsorbertank 500 übertragen, so dass der Druck des Adsorbertanks 500 erhöht wird.

Wenn der durch das Druckmesser 800 bestimmte Druck des Adsorbertanks 500 einen vorbestimmten Druck aufgrund der vom Brennstoffzellensystem 200 übertragenen Wärme erreicht, wird das vierte Absperrventil 600 geöffnet und die Vakuumpumpe 800 angetrieben, so dass die adsorbierten Rückstände vom Adsorptionsmittel im Adsorbertank 500 getrennt werden.

Da sich der Druck im Adsorbertank 500 erhöht, ist die auf die Vakuumpumpe 700 aufgetragene Last verringert, so dass die adsorbierten Rückstände leicht vom Adsorptionsmittel getrennt werden können.

Wenn der durch das Druckmesser 800 bestimmte Druck im Adsorbertank nicht schwankt, wird bestimmt, dass die Trennung der Rückstände beendet ist. Folglich wird das vierte Absperrventil 600 geschlossen und die Vorbereitung für das nächste Adsorbieren ist vollendet.

2 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Entfernen von Rückständen in einem Brennstoffzellensystem nach der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung.

Wie in 2 gezeigt, ist die zweite Ausführungsform dieser Erfindung weiter mit einem Wärmetauscher 900 versehen.

Der Wärmetauscher 900 ist zwischen dem Brennstoffzellensystem 200 und dem Adsorbertank 500 angeordnet, so dass die Wärmeübertragungsrate erhöht werden kann. Folglich erreicht der Druck des Adsorbertanks 500 schneller den im Voraus bestimmten Druck und die adsorbierten Rückstände, welche Brenngas, Oxidationsmittel und Wasser enthalten, werden schneller in die Luft abgelassen.

3 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Entfernen von Rückständen in einem Brennstoffzellensystem nach der dritten Ausführungsform dieser Erfindung.

Wie in 3 gezeigt, ist der Innenraum des Adsorbertanks 500 in drei Abschnitte 500a, 500b, 500c unterteilt, welche allen Strömungsfeldern 210, 220, 230 entsprechen, und das Adsorptionsmittel in jedem Abschnitt der Adsorbertanks 500a, 500b, 500c wird basierend auf der Art der zu jedem der Abschnitte 500a, 500b, 500c adsorbierten Rückstände ausgewählt.

Alle drei Abschnitte 500a, 500b, 500c sind jeweils mit einem der Einlassdurchgänge zum Adsorbertank 500 verbunden.

Wie in 4 gezeigt, ist ein Befeuchter bzw. eine Befeuchtungsvorrichtung 1000 an den Einlassdurchgängen zum Strömungsfeld für das Oxidationsmittel 210 und zum Strömungsfeld für das Brenngas 220 angeschlossen.

Falls ein Brennstoffzellensystem, welches eine MEA enthält, mit einer Membran aus einem festen Polymer gebildet ist, wird bevorzugt, dass das Brenngas und das Oxidationsmittel, welche zum Brennstoffzellensystem zugeführt werden, eine im Voraus bestimmte Menge an Feuchtigkeit enthalten.

Folglich ist die Befeuchtungsvorrichtung 1000 an den Einlassdurchgängen zum Strömungsfeld für das Oxidationsmittel 210 und Strömungsfeld für das Brenngas 220 angeschlossen.

Vorzugsweise ist ein Innenraum der Befeuchtungsvorrichtung 1000 in zwei Abschnitte unterteilt, welche mit dem Strömungsfeld für das Oxidationsmittel 210 bzw. dem Strömungsfeld für das Brenngas 220 verbunden sind.

Wenn die Befeuchtungsvorrichtung 1000 vorgesehen ist, bleibt, falls das Antreiben des Brennstoffzellensystems 200 vollendet ist, Wasser zum Befeuchten in der Befeuchtungsvorrichtung 1000 und den Strömungsfeldern 210, 220 zurück, so dass es einem Entfernen des Wassers bedarf. Folglich wird, wie in 4 gezeigt, das übrige Wasser in der Befeuchtungsvorrichtung 1000 und in den Strömungsfeldern 210, 220 vollständig durch einen oben beschriebenen Arbeitsvorgang entfernt.

Außerdem kann die Befeuchtungsvorrichtung 1000 an noch einer Pumpe (nicht gezeigt) oder der Wasserablasspumpe angeschlossen sein, so dass das Wasser in der Befeuchtungsvorrichtung 1000 vor dem Adsorbieren durch das Adsorptionsmittel entfernt wird.

Dieses Verfahren ist in erster Linie nützlich, wenn die Befeuchtungsvorrichtung 1000 zum Befeuchten der Membran vorgesehen ist.

Nach der Ausführungsform dieser Erfindung werden die Rückstände in den Strömungsfeldern eines Brennstoffzellensystems effektiv ohne eine zusätzliche Vorrichtung für das Ausblasen mit Stickstoff und dem sich daraus ergebenden Verbrauch von Stickstoff entfernt.

Claims

Verfahren zum Entfernen von Rückständen in einem Brennstoffzellensystem mit einer Vielzahl an Strömungsfeldern für ein Brenngas und ein Oxidationsmittel, mit: einem Adsorbertank, welcher darin ein Adsorptionsmittel speichert, zum Adsorbieren von vom Brennstoffzellensystem gesendeten Rückständen; einer am Adsorbertank angeschlossenen Vakuumpumpe zum Trennen der zum Adsorptionsmittel adsorbierten Rückstände; einem Druckmesser zum Bestimmen des Drucks des Adsorbertanks; ersten Absperrventilen, welche auf Einlassdurchgängen zu den Strömungsfeldern befestigt sind; zweiten Absperrventilen, welche auf den Auslassdurchgängen von den Strömungsfeldern befestigt sind; dritten Absperrventilen, welche auf den Einlassdurchgängen zum Adsorbertank befestigt, welche von den Auslassdurchgängen zwischen den Strömungsfeldern und den zweiten Absperrventilen divergieren; und einem vierten Absperrventil, welches auf einem Auslassdurchgang vom Adsorbertank zur Vakuumpumpe befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl an Strömungsfeldern weiter ein Strömungsfeld für ein Kühlmittel enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Kühlmittelablasspumpe auf dem Auslassdurchgang vom Strömungsfeld für das Kühlmittel befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Adsorptionsmittel aus Zeolith und Silikagel ausgewählt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Innenraum des Adsorbertanks in Abschnitte unterteilt ist, welche dem Strömungsfeld für das Brenngas und dem Strömungsfeld für das Oxidationsmittel entsprechen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Adsorptionsmittel in jedem Abschnitt des Adsorbertanks basierend auf der Art der adsorbierten Rückstände in dem Abschnitt ausgewählt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche weiter einen zwischen dem Brennstoffzellenstack und dem Adsorbertank angeordneten Wärmetauscher aufweist, welcher vom Brennstoffzellenstack ausgestrahlte Wärme zum Adsorbertank überträgt.
Verfahren zum Entfernen von Rückständen in einem Brennstoffzellensystem mit einer Vielzahl an Strömungsfeldern für ein Brenngas und für ein Oxidationsmittel, welches folgendes umfasst: Isolieren der Einlassdurchgänge und Auslassdurchgänge der Vielzahl an Strömungsfeldern, wenn das Antreiben des Brennstoffzellensystems stoppt; Verbinden der Vielzahl an Strömungsfeldern mit einem Adsorbertank zum Adsorbieren der Rückstände im Brennstoffzellensystem; und Trennen der zum Adsorptionsmittel adsorbierten Rückstände durch das Antreiben einer am Adsorbertank angeschlossenen Vakuumpumpe.
Verfahren nach Anspruch 8, welches weiter vor dem Trennen der Rückstände das Bestimmen, ob der Druck des Adsorbertanks einen konstanten Zustand erreicht; das Isolieren des Adsorbertanks, wenn der Druck des Adsorbertanks einen konstanten Zustand erreicht; das Übertragen der vom Brennstoffzellensystem ausgestrahlten Wärme zum Adsorbertank; und das Bestimmen, ob der Druck des Adsorbertanks größer als der im Voraus bestimmte Druck ist, enthält, wobei die Vakuumpumpe angetrieben wird, wenn der Druck des Adsorbertanks größer als der im Voraus bestimmte Druck ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Vielzahl an Strömungsfeldern weiter ein Strömungsfeld für ein Kühlmittel enthält; und das Verfahren zum Entfernen von Rückständen weiter vor dem Isolieren der Einlassdurchgänge und der Auslassdurchgänge der Vielzahl an Strömungsfeldern, das Ablassen des übrigen Kühlmittels durch das Antreiben einer Kühlmittelablasspumpe enthält, welche auf dem Auslassdurchgang vom Feld für das Kühlmittel befestigt ist.