DE60214385T2

DE60214385T2 - Brennstoffzellensystem mit wasserstoffsensor

Info

Publication number: DE60214385T2
Application number: DE60214385T
Authority: DE
Inventors: Brian Vancouver WELLS; W. Kenneth Vancouver STRANG
Original assignee: Ballard Power Systems Inc; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Ballard Power Systems Inc; Siemens VDO Electric Drives Inc
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2022-07-26
Also published as: ATE338349T1; WO2003010844A2; AU2002355302A1; WO2003010844A3; EP1410455B1; DE60214385D1; EP1410455A2; US20030022045A1; US6913847B2; CA2454680A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere ein Brennstoffzellensystem mit einem Sensor zum Detektieren der Konzentration von Wasserstoff in der Nähe des Systems.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Elektrochemische Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel in Elektrizität um. Elektrochemische Feststoffpolymer-Brennstoffzellen weisen im Allgemeinen eine Membran-Elektroden-Baugruppe (MEA, membrane electrode assembly) mit einer Ionenaustauschmembran oder einem Feststoffpolymer-Elektrolyt auf, die bzw. der zwischen zwei Elektroden angeordnet ist, welche typischerweise eine Schicht aus porösem, elektrisch leitendem Schichtmaterial wie z. B. Kohlefaserpapier oder Kohlenstoffgewebe aufweisen. Die MEA enthält eine Katalysatorschicht typischerweise in Form von fein zerkleinertem Platin an jeder Membran/Elektroden-Grenzfläche, um die gewünschte elektrochemische Reaktion zu bewirken. Im Betrieb sind die Elektroden elektrisch gekoppelt, um einen Schaltkreis zum Leiten von Elektronen zwischen den Elektroden durch eine externe Schaltung bereitzustellen. Typischerweise sind mehrere MEAs elektrisch in Reihe geschaltet, um einen Brennstoffzellenstapel mit einer gewünschten Ausgangsleistung zu bilden.
In typischen Brennstoffzellen ist die MEA zwischen zwei elektrisch leitenden Fluidströmungsfeldplatten oder Separatorplatten angeordnet. Fluidströmungsfeldplatten haben mindestens einen Strömungskanal, der in mindestens einer ihrer ebenen Hauptoberflächen ausgebildet ist. Die Strömungskanäle leiten den Brennstoff und das Oxidationsmittel zu den jeweiligen Elektroden, nämlich zur Anode auf der Brennstoffseite und zur Kathode auf der Oxidationsmittelseite. Die Fluidströmungsfeldplatten dienen als Stromkollektoren, stützen die Elektroden ab und stellen Zugangskanäle für den Brennstoff und das Oxidationsmittel zu den jeweiligen Anoden- und Kathodenoberflächen sowie Kanäle zum Entfernen von während des Betriebs der Zelle gebildeten Reaktionsprodukten, wie z. B. Wasser bereit.
Weil sie keine oder geringe Emissionen abgeben und mit erneuerbaren Brennstoffen betrieben werden können, wird die Verwendung von Brennstoffzellen als primäre und/oder Reserve-Stromversorgungen wahrscheinlich zunehmend an Bedeutung gewinnen. Ein Brennstoffzellenstapel kann z. B. als eine unterbrechungsfreie Stromversorgung für Computer-, medizinische oder Kühlausrüstung in einem Heim, Büro oder in einer gewerblichen Umgebung dienen. Andere Verwendungen sind natürlich möglich.
Zusammenfassung der Erfindung
Zu den Betriebs- und Umweltfaktoren, die für den effizienten Betrieb eines Brennstoffzellensystems von Bedeutung sind, können die Konzentration von Wasserstoff in der Umgebung, die Konzentration von Sauerstoff in der Umgebung, die Brennstoffzellenstapeltemperatur, die Umgebungslufttemperatur, der Stromfluss durch den Brennstoffzellenstapel, die Spannung über dem Brennstoffzellenstapel und die Spannung über den MEAs gehören. Diese Faktoren gewinnen zunehmend an Bedeutung, wenn die Betriebsumgebung der Brennstoffzelle ein vom Menschen bewohnbarer Raum mit einer niedrigen Luftstrom-Austauschrate ist und/oder wenn der Raum klein ist, wie z. B. ein Geräteraum oder ein Geräteschrank. Folglich besteht ein Bedarf an verbesserten Steuersystemen für Brennstoffzellensysteme, insbesondere für Brennstoffzellensysteme, die in geschlossenen Umgebungen und/oder bewohnbaren Umgebungen betrieben werden, und an Verfahren zum Steuern solcher Brennstoffzellensysteme.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Stromerzeugungssystem mit einem Brennstoffzellenstapel bereitgestellt, der mindestens eine Feststoffpolymer-Brennstoffzelle aufweist, mit einem Fluidstrompfad zum Leiten eines Fluids zum und vom Stapel, einem Brennstoffregelungssystem zum Regeln der Brennstoffzufuhr von einer Brennstoffversorgung zum Stapel und einem Wasserstoffkonzentrationssensor, der im Fluidstrompfad an einer Stelle stromabwärts des Stapels angeordnet ist, um Wasserstoff zu detektieren, der vom Stromerzeugungssystem abgegeben wird oder entweicht.
Vorzugsweise ist der Wasserstoffkonzentrationssensor ebenfalls in der Nähe des Brennstoffregelungssystems angeordnet. Das Brennstoffregelungssystem kann auch im Fluidstrompfad angeordnet sein und folgende Komponenten aufweisen: einen Brennstoffstrompfad zum Leiten der Brennstoffzufuhr zum Stapel, einen Brennstoff zufuhrverbinder zum Verbinden der Brennstoffzufuhr mit dem Brennstoffstrompfad, ein Überdruckventil im Brennstoffstrompfad sowie ein Hauptbrennstoffventil, das ebenfalls im Brennstoffstrompfad angeordnet ist, und einen Brennstoffdruckregler, der ebenfalls im Brennstoffstrompfad angeordnet ist. Der dem Stapel zugeführte Brennstoffstrom enthält Wasserstoff.
Der oben genannte Fluidstrompfad ist geeigneterweise ein Kühlmittelstrompfad zum Leiten von Kühlmittel zum und vom Brennstoffzellenstapel, kann aber auch ein Oxidationsmittelstrompfad sein. Der Brennstoffzellenstapel kann luftgekühlt sein, wobei in diesem Fall ein Kühllüfter verwendet werden kann, um die Kühlluft über den Kühlmittelstrompfad zum Stapel zu leiten. Der Kühlmittelstrompfad zwischen dem Kühllüfter und dem Stapel kann durch eine Leitung definiert sein. Der Stapel weist vorzugsweise Kühlmittelstromkanäle auf, die das Leiten von Kühlluft durch den Stapel ermöglichen. Vom Stapel abgegebene Kühlluft wird vorzugsweise durch einen Abschnitt eines Stromerzeugungssystemgehäuses zum Wasserstoffkonzentrationssensor geleitet.
Das Brennstoffregelungssystem ist vorzugsweise im Kühlmittelstrompfad an einer Stelle stromabwärts des Stapels angeordnet. Wasserstoff, der vielleicht vom Stapel oder dem Brennstoffregelungssystem in den Kühlluftstrompfad abgegeben wurde oder entwichen ist, wird dann vom Kühlluftstrom zum Wasserstoffkonzentrationssensor befördert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen kennzeichnen identische Bezugszeichen ähnliche Elemente oder Vorgänge. Die Größen und relativen Positionen von Elementen in den Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabgetreu gezeichnet. Die Formen verschiedener Elemente und Winkel sind z. B. nicht maßstabgetreu gezeichnet und einige dieser Elemente sind willkürlich vergrößert und positioniert, um die Lesbarkeit der Zeichnung zu verbessern. Ferner sollen die jeweiligen Formen der Elemente, wie sie gezeichnet sind, keine Informationen bezüglich der tatsächlichen Form der jeweiligen Elemente vermitteln, und sie sind ausschließlich zur einfachen Erkennung in den Zeichnungen gewählt worden.
1 ist eine isometrische partielle Explosionsansicht eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel und einer Steuerelektronik, die ein Brennstoffzellen-Umgebungsüberwachungs- und Steuersystem umfasst.
2 ist eine schematische Darstellung, die den Brennstoffstrom durch einen kaskadierten Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems nach 1 darstellt.
3 ist eine schematische Darstellung des in 1 teilweise dargestellten Brennstoffzellensystems.
4 ist eine schematische Darstellung eines zusätzlichen Abschnitts des Brennstoffzellen-Umgebungsüberwachungs- und Steuersystems nach 3, das eine selektiv zwischen den Brennstoffzellenstapel und eine Batterie gekoppelte Brennstoffzellen-Mikrosteuerung umfasst.
5 ist eine isometrische Ansicht einer baulichen Anordnung verschiedener Komponenten des Brennstoffzellensystems nach 1 von rechts oben.
6 ist eine isometrische Ansicht der baulichen Anordnung verschiedener Komponenten des Brennstoffzellensystems nach 5 von rechts oben, wobei ausgewählte Komponenten aus der Ansicht entfernt sind.
7 ist eine isometrische Ansicht der baulichen Anordnung verschiedener Komponenten des Brennstoffzellensystems nach 5 von links oben.
8 ist eine isometrische Explosionsansicht eines Brennstoffregelungsabschnitts des Brennstoffzellensystems nach 5 von rechts oben.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In der folgenden Beschreibung sind bestimmte spezielle Details aufgeführt, um die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung zu verdeutlichen. Für den Fachmann versteht es sich jedoch, dass die Erfindung ohne diese Details verwirklicht werden kann. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen, die mit Brennstoffzellen, Mikrosteuerungen, Sensoren und Aktoren verbunden sind, nicht detailliert beschrieben worden, um zu vermeiden, dass die Beschreibungen der Ausführungsformen der Erfindung unnötigerweise unklar werden.
Falls es der Kontext nicht anders erforderlich macht, sind in der gesamten Beschreibung und in den folgenden Ansprüchen das Wort "aufweisen" und Variationen von ihm, wie z. B. "weist auf" und "aufweisend" in einem offenen, einschließenden Sinn auszulegen, das heißt als "einschließlich, aber nicht beschränkt auf'.
Überblick über das Brennstoffzellensystem
1 zeigt einen Abschnitt eines Brennstoffzellensystems 10, nämlich einen Brennstoffzellenstapel 12 und ein elektronisches Brennstoffzellenüberwachungs- und Steuersystems 14. Der Brennstoffzellenstapel 12 enthält mehrere zwischen einem Paar Endplatten 18a, 18b angeordnete Brennstoffzellen-Baugruppen 16, wobei eine der Brennstoffzellen-Baugruppen 16 vom Brennstoffzellenstapel 12 teilweise entfernt ist, um den Aufbau der Brennstoffzellen-Baugruppe 16 besser darzustellen. Verbindungsstäbe (nicht dargestellt) erstrecken sich zwischen den Endplatten 18a, 18b und wirken mit Befestigungsmuttern 17 zusammen, um die Endplatten 18a, 18b durch Druckbeaufschlagung der verschiedenen Komponenten zur Sicherstellung eines guten Kontakts zwischen ihnen zusammenzuspannen.
Jede Brennstoffzellen-Baugruppe 16 enthält eine Membran-Elektroden-Baugruppe 20, die zwei durch eine Ionenaustauschmembran 26 getrennte Elektroden, die Anode 22 und die Kathode 24, enthält. Die Elektroden 22, 24 können aus einem porösen, elektrisch leitenden Schichtmaterial, wie z. B. Kohlefaserpapier oder Gewebe gebildet sein, das für die Reaktanden durchlässig ist. Jede der Elektroden 22, 24 ist auf einer an die Ionenaustauschmembran 26 angrenzenden Oberfläche mit einem Katalysator 27, wie z. B. einer dünnen Platinschicht beschichtet, um jede Elektrode elektrochemisch aktiv zu machen.
Die Brennstoffzellen-Baugruppe 16 enthält auch ein Paar Separatoren oder Strömungsfeldplatten 28, die die Membran-Elektroden-Baugruppe 20 sandwichartig umgeben. Bei der dargestellten Ausführungsform enthält jede der Strömungsfeldplatten 28 einen Reaktandenkanal oder mehrere Reaktandenkanäle 30, die auf einer ebenen Oberfläche der Strömungsfeldplatte 28 neben einer zugehörigen Elektrode der Elektroden 22, 24 ausgebildet sind, um Brennstoff zur Anode 22 bzw. Oxidationsmittel zur Kathode 24 zu transportieren (in 1 ist der Reaktandenkanal 30 auf nur einer der Strömungsfeldplatten 28 sichtbar). Die Reaktandenkanäle 30, die das Oxidationsmittel transportieren, transportieren auch Abluft und Produktwasser von der Kathode 24 weg. Wie unten ausführlicher beschrieben wird, ist der Brennstoffstapel 12 zum Betrieb in einem Brennstoffmodus mit blindem Ende ausgelegt, daher wird im Wesentlichen der gesamte ihm während des Betriebs zugeführte Wasserstoffbrennstoff verbraucht und im normalen Betrieb des Systems 10 wird, wenn überhaupt, wenig Wasserstoff vom Stapel 12 wegtransportiert. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können jedoch auch auf mit verdünnten Brennstoffen betriebene Brennstoffzellensysteme angewendet werden, die kein blindes Ende aufweisen.
Bei der dargestellten Ausführungsform enthält jede Strömungsfeldplatte 28 vorzugsweise eine Mehrzahl von Kühlkanälen 32, die auf der ebenen Oberfläche der Strömungsfeldplatte 28 gegenüber der ebenen Oberfläche mit dem Reaktandenkanal 30 ausgebildet sind. Wenn der Stapel zusammengebaut ist, wirken die Kühlkanäle 32 jeder benachbarten Brennstoffzellen-Baugruppe 16 zusammen, so dass geschlossene Kühlkanäle 32 zwischen jeder Membran-Elektroden-Baugruppe 20 gebildet werden. Die Kühlkanäle 32 übertragen Kühlluft durch den Brennstoffstapel 12. Die Kühlkanäle sind vorzugsweise gerade und parallel zueinander und durchqueren jede Platte 28, so dass Kühlkanal-Einlässe und -Auslässe an jeweiligen Rändern der Platte 28 angeordnet sind.
Obwohl die dargestellte Ausführungsform zwei Strömungsfeldplatten 28 in jeder Brennstoffzellen-Baugruppe 16 enthält, können andere Ausführungsformen eine einzige bipolare Strömungsfeldplatte (nicht dargestellt) zwischen benachbarten Membran-Elektroden-Baugruppen 20 enthalten. Bei solchen Ausführungsformen transportiert ein Kanal auf einer Seite der bipolaren Platte Brennstoff zur Anode einer benachbarten Membran-Elektroden-Baugruppe 20, wohingegen ein Kanal auf der anderen Seite der Platte Oxidationsmittel zur Kathode einer anderen benachbarten Membran-Elektroden-Baugruppe 20 transportiert. Bei solchen Ausführungsformen können zusätzliche Strömungsfeldplatten 28 mit Kanälen zum Transportieren von Kühlmittel (z. B. Flüssigkeit oder Gas, wie z. B. Kühlluft) im gesamten Brennstoffzellenstapel 12 wie erforderlich beabstandet sein, um eine ausreichende Kühlung des Stapels 12 bereitzustellen.
Die Endplatte 18a enthält einen Brennstoffstrom-Einlassanschluss (nicht dargestellt) zum Einleiten eines Brennstoffzufuhrstroms in den Brennstoffzellenstapel 12. Die Endplatte 18b enthält einen Brennstoffstrom-Auslassanschluss 35 zum Abführen eines Brennstoffabgasstroms aus dem Brennstoffzellenstapel 12, der hauptsächlich Wasser und nicht reaktive Komponenten und Verunreinigungen, wie z. B. etwaige in den Brennstoffzufuhrstrom eingebrachte oder in den Brennstoffstrom im Stapel 12 eintretende, aufweist. Der Brennstoffstrom-Auslassanschluss 35 ist bei Betrieb mit blindem Ende normalerweise mit einem Ventil geschlossen. Obwohl der Brennstoffzellenstapel 12 so ausgelegt ist, dass er im Wesentlichen den gesamten ihm zugeführten Wasserstoffbrennstoff während des Betriebs verbraucht, können während einer durch vorübergehendes Öffnen eines Ventils an dem Brennstoffstrom-Auslassanschluss 35 bewirkten Spülung des Brennstoffzellenstapels 12 auch Spuren von nicht reagiertem Wasserstoff durch den Brennstoffstrom-Auslassanschluss 35 abgegeben werden. Jede Brennstoffzellen-Baugruppe 16 hat in ihr ausgebildete Öffnungen zum Zusammenwirken mit entsprechenden Öffnungen in benachbarten Baugruppen 16, um interne Brennstoffzufuhr- und Abgas-Verteiler (nicht dargestellt) zu bilden, die sich über die Länge des Stapels 12 erstrecken. Der Brennstoffstrom-Einlassanschluss steht über jeweilige Reaktandenkanäle 30, die mit den Brennstoffzufuhr- bzw. Abgasverteilern in Fluidverbindung stehen, in Fluidverbindung mit dem Fluid-Auslassanschluss 35.
Die Endplatte 18b enthält einen Oxidationsmittelstrom-Einlassanschluss 37 zum Einleiten von Zuluft (Oxidationsmittelstrom) in den Brennstoffzellenstapel 12 und einen Oxidationsmittelstrom-Auslassanschluss 39 zum Abführen von Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel 12. Jede Brennstoffzellen-Baugruppe 16 hat in ihr ausgebildete Öffnungen 31, 34 zum Zusammenwirken mit entsprechenden Öffnungen in benachbarten Brennstoffzellen-Baugruppen 16, um Oxiationsmittelzufuhr- und Abgasverteiler zu bilden, die sich über die Länge des Stapels 12 erstrecken. Der Oxidationsmittel-Einlassanschluss 37 steht über jeweilige Reaktandenkanäle 30, die mit den Oxidationsmittelzufuhr- bzw. Abgasverteilern in Fluidverbindung stehen, in Fluidverbindung mit dem Oxidationsmittel-Auslassanschluss 39.
Bei einer Ausführungsform enthält der Brennstoffzellenstapel 12 siebenundvierzig Brennstoffzellen-Baugruppen 16. (In 1 und 2 sind mehrere Brennstoffzellen-Baugruppen 16 weggelassen, um die Übersichtlichkeit der Zeichnung zu verbessern.) Der Brennstoffzellenstapel 12 kann eine größere oder kleinere Anzahl Brennstoffzellen-Baugruppen enthalten, um mehr bzw. weniger Leistung zu liefern.
Wie in 2 gezeigt ist, wird Brennstoff in einem kaskadierten Strömungsmuster durch den Brennstoffzellenstapel 12 geleitet. Ein erster aus den ersten dreiundvierzig Brennstoffzellen-Baugruppen 16 bestehender Satz 11 ist so angeordnet, dass Brennstoff in einer gemeinsamen parallelen Richtung (durch Pfeile 13 dargestellt), die der Richtung des Kühlmittelstroms durch den Brennstoffzellenstapel 12 im Allgemeinen entgegengesetzt ist, in dem Satz fließt. Der Brennstoffstrom durch einen nächsten Satz 15 aus zwei Brennstoffzellen-Baugruppen 16 erfolgt bezüglich des Brennstoffstroms im ersten Satz 11 in Reihe und im Satz 15 in einer gemeinsamen parallelen Richtung (in einer durch Pfeile 17 dargestellten Richtung), die mit der Richtung des Kühlmittelstroms durch den Brennstoffzellenstapel 12 im Allgemeinen übereinstimmt.
Der Brennstoffstrom durch einen letzten Satz 19 aus zwei Brennstoffzellen-Baugruppen 16 erfolgt bezüglich der ersten und zweiten Sätze 11, 15 in Reihe und im Satz 19 in einer gemeinsamen parallelen Richtung (in einer durch einen Pfeil 21 dargestellten Richtung), die der Richtung des Kühlmittelstroms durch den Brennstoffzellenstapel 12 im Allgemeinen entgegengesetzt ist. Das Oxidationsmittel wird in der gleichen allgemeinen Richtung wie der Kühlmittelstrom durch den Brennstoffzellenstapel 12 parallel jeder der siebenundvierzig Brennstoffzellen zugeführt.
Der letzte Satz 19 aus Brennstoffzellen-Baugruppen 16 weist den Spülzellenabschnitt 36 des Brennstoffzellenstapels auf. Der Spülzellenabschnitt 36 sammelt nichtreaktive Komponenten, die durch Öffnen eines Spülventils regelmäßig abgeblasen werden.
Jede Membran-Elektroden-Baugruppe 20 ist so ausgelegt, dass sie eine nominale Potentialdifferenz von ca. 0,6 V zwischen Anode 22 und Kathode 24 erzeugt. Reaktandenströme (Wasserstoff und Luft) werden durch Reaktandenkanäle 30 den Elektroden 22, 24 auf jeder Seite der Ionenaustauschmembran 26 zugeführt. Wasserstoff wird der Anode 22 zugeführt, wo ein Platinkatalysator 27 seine Zerlegung in Protonen und Elektronen fördert, die als nutzbare Elektrizität durch eine externe Schaltung (nicht dargestellt) geleitet werden. Auf der gegenüberliegenden Seite der Membran-Elektroden-Baugruppe 20 strömt Luft durch die Reaktandenkanäle 30 zur Kathode 24, wo Sauerstoff in der Luft mit durch die Ionenaustauschmembranen 26 geleiteten Protonen reagiert, um Produktwasser zu erzeugen.
Sensoren und Aktoren des Brennstoffzellensystems
Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, weist das elektronische Überwachungs- und Steuersystem 14 verschiedene elektrische und elektronische Komponenten auf einer Platine 38 und verschiedene auf das gesamte Brennstoffzellensystem 10 verteilte Sensoren 44 und Aktoren 46 auf. Die Platine 38 trägt einen Mikroprozessor oder eine Mikrosteuerung 40, der bzw. die entsprechend programmiert oder konfiguriert ist, um den Betrieb des Brennstoffzellensystems auszuführen. Die Mikrosteuerung 40 kann die Form einer von Atmel Corporation, San Jose, Kalifornien, verfügbaren Atmel AVR RISC-Mikrosteuerung annehmen. Das elektronische Überwachungs- und Steuersystem 14 enthält auch einen Festspeicher 42, wie z. B. einen EEPROM-Abschnitt der Mikrosteuerung 40 oder diskrete, nicht flüchtige von der Steuerung lesbare Medien.
Die Mikrosteuerung 40 ist so gekoppelt, dass sie eine Eingabe von den Sensoren 44 erhält und eine Ausgabe an die Aktoren 46 liefert. Die Eingabe und/oder Ausgabe kann die Form digitaler und/oder analoger Signale annehmen. Eine wiederaufladbare Batterie 47 versorgt das elektronische Überwachungs- und Steuersystem 14 mit Energie, bis der Brennstoffzellenstapel 12 ausreichend Leistung an das elektronische Überwachungs- und Steuersystem 14 liefern kann. Die Mikrosteuerung 40 ist zwischen dem Brennstoffzellenstapel 12 und der Batterie 47 zum Schalten von Leistung während des Betriebs des Brennstoffzellensystems und/oder zum Wiederaufladen der Batterie 47 während des Brennstoffzellenbetriebs selektiv koppelbar.
3 zeigt verschiedene Elemente des Brennstoffzellensystems 10 detaillierter und zeigt verschiedene andere Elemente, die zwecks Übersichtlichkeit der Darstellung in 1 weggelassen wurden.
Wie insbesondere aus 3 ersichtlich ist, führt das Brennstoffzellensystem 10 Brennstoff (z. B. Wasserstoff) mittels eines Brennstoffsystems 50 der Anode 22 zu. Das Brennstoffsystem 50 enthält eine Brennstoffquelle, wie z. B. einen oder mehrere Brennstofftanks) 52 und ein Brennstoffregelungssystem 54 zum Steuern der Brennstoffzufuhr. Die Brennstofftanks 52 können Wasserstoff oder einen anderen Brennstoff, wie z. B. Methanol enthalten. Alternativ können die Brennstofftanks 52 einen Prozessstrom darstellen, aus dem Wasserstoff durch Reformieren von beispielsweise Methan oder Erdgas gewonnen werden kann (in diesem Fall ist im Brennstoffzellensystem 10 eine Reformierungsanlage angeordnet).
Die Brennstofftanks 52 enthalten jeweils ein Brennstofftankventil 56 zum Steuern des Brennstoffstroms vom jeweiligen Brennstofftank 52. Die Brennstofftankventile 56 können durch die Mikrosteuerung 40 automatisch gesteuert und/oder durch einen menschlichen Bediener manuell gesteuert werden. Die Brennstofftanks 52 können wiederauffüllbar oder wegwerfbar sein. Die Brennstofftanks 52 können in das Brennstoffsystem 50 und/oder das Brennstoffzellensystem 10 integriert sein oder die Form eigenständiger Einheiten annehmen. Bei dieser Ausführungsform sind die Brennstofftanks 52 Hydrid-Lagertanks. Die Brennstofftanks 52 sind im Brennstoffzellensystem 10 so angeordnet, dass sie durch Kühl-Abluft erwärmt werden können, die durch vom Brennstoffzellenstapel 12 erzeugte Wärme erwärmt wird. Eine solche Erwärmung erleichtert die Freisetzung von Wasserstoff aus dem Hydrid-Speichermedium.
Das Brennstoffsystem 50 enthält einen Wasserstoffkonzentrationssensor S5, einen Wasserstoffheizungs-Stromsensor S6 und einen Wasserstoffsensor-Prüfsensor S11. Der Wasserstoffheizungs-Stromsensor S6 kann die Form eines Stromsensors annehmen, der zum Überwachen eines Wasserstoffheizelements gekoppelt ist, das eine in den Wasserstoffkonzentrationssensor S5 integrierte Komponente ist. Der Wasserstoffsensor-Prüfsensor S11 überwacht die Spannung über einen positiven Zweig einer Wheatstone-Brücke in einem unten erläuterten Wasserstoffkonzentrationssensor S5, um zu bestimmen, ob der Wasserstoffkonzentrationssensor S5 funktioniert.
Die Brennstofftanks 52 sind durch ein Filter 60, das sicherstellt, dass partikelförmige Verunreinigungen nicht in das Brennstoffregelsystem 54 eintreten, mit dem Brennstoffregelsystem 54 gekoppelt. Das Brennstoffregelsystem 54 enthält einen Drucksensor 62 zur Überwachung des Drucks des Brennstoffs in den Brennstofftanks 52, der anzeigt, wie viel Brennstoff in den Brennstofftanks 52 übrig ist. Ein Überdruckventil 64 arbeitet automatisch, um Überdruck im Brennstoffsystem 50 abzulassen. Das Überdruckventil 64 kann die Form eines Feder-und-Kugel-Überdruckventils annehmen. Ein Hauptgasventilsolenoid CS5 öffnet und schließt ein Hauptgasventil 66 als Reaktion auf Signale von der Mikrosteuerung 40, um eine Fluidverbindung zwischen den Brennstofftanks 52 und dem Brennstoffregelsystem 54 bereitzustellen. Zusätzliche Steuerungen, wie z. B. ein Hydridventilsolenoid CS7 regelt die Strömung durch die Brennstofftankventile 56. Ein Wasserstoffregler 68 regelt den Wasserstoffstrom aus den Brennstofftanks 52. Brennstoff wird durch eine mit dem Brennstoffstrom-Einlassanschluss des Stapels 12 verbundene Wasserstoffeinlassleitung 69 den Anoden 22 der Brennstoffzellen-Baugruppen 16 zugeführt.
Die Sensoren 44 des elektronischen Überwachungs- und Steuersystems 14 überwachen eine Reihe Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems, um den Betrieb des Brennstoffzellensystems innerhalb zulässiger Grenzen zu halten. Ein Stapel-Spannungssensor S3 misst z. B. die Bruttospannung über dem Brennstoffzellenstapel 12. Ein Spülzellen-Spannungssensor S4 überwacht die Spannung über dem Spülzellenabschnitt 36 (der letzte Satz 19 aus Brennstoffzellen-Baugruppen 16 in der kaskadierten Ausführung nach 2). Ein Zellspannungsprüfer S9 stellt sicher, dass eine Spannung über jeder der Brennstoffzellen-Baugruppen 16 innerhalb einer zulässigen Grenze liegt. Jeder der Sensoren S3, S4, S9 liefert Eingaben an die Mikrosteuerung 40, die in 3 durch Pfeile gekennzeichnet sind, die auf die mit "FMC" (d. h. Brennstoffzellen-Mikrosteuerung 40) gekennzeichneten Blöcke zeigen.
Ein Brennstoff-Spülventil 70 ist an dem Brennstoffstrom-Auslassanschluss 35 des Brennstoffzellenstapels 12 angeordnet und typischerweise in einer geschlossenen Position, wenn der Stapel 12 im Betrieb ist. Dem Brennstoffzellenstapel 12 wird daher nur soviel Brennstoff zugeführt, wie erforderlich ist, um die gewünschte Rate der elektrochemischen Reaktion aufrechtzuerhalten. Aufgrund des kaskadierten Strö mungsdesigns neigen etwaige Verunreinigungen (z. B. Stickstoff) im Brennstoffzufuhrstrom dazu, sich während des Betriebs im Spülzellenabschnitt 36 anzusammeln. Eine Ansammlung von Verunreinigungen im Spülzellenabschnitt 36 hat die Tendenz, die Leistung des Spülzellenabschnitts 36 zu verringern. Wenn der Spülzellen-Spannungssensor S4 einen Leistungsabfall unter ein Schwellenspannungsniveau erkennt, kann die Mikrosteuerung 40 ein Signal an eine Spülventil-Steuerung CS4, wie z. B. ein Solenoid senden, um das Spülventil 36 zu öffnen und die Verunreinigungen und andere nichtreaktive Komponenten, die sich im Spülzellenabschnitt 36 angesammelt haben können, abzuführen. Das Abblasen von Wasserstoff durch das Spülventil 70 während einer Spülung ist begrenzt, um zu verhindern, dass die unten erläuterten Umgebungsüberwachungs- und Steuersysteme einen Ausfall oder Fehler auslösen.
Das Brennstoffzellensystem 10 liefert mittels eines Sauerstoffzufuhrsystems 72 Sauerstoff in einem Luftstrom an die Kathodenseite der Membran-Elektroden-Baugruppen 20. Eine Sauerstoff- oder Luftquelle 74 kann die Form eines Lufttanks oder der Umgebungsatmosphäre annehmen. Ein Filter 76 stellt sicher, dass partikelförmige Verunreinigungen nicht in das Sauerstoffzufuhrsystem 72 eintreten. Eine Luftkompressor-Steuerung CS1 steuert einen Luftkompressor 78, um dem Brennstoffzellenstapel 12 die Luft mit einer gewünschten Strömungsrate zuzuführen. Ein Luftströmungssensor S8 misst die Luftströmungsrate in den Brennstoffzellenstapel 12, wobei er den Wert als eine Eingabe an die Mikrosteuerung 40 liefert. Ein Feuchtigkeitsaustauscher 80 fügt Wasserdampf zur Luft hinzu, um die Ionenaustauschmembran 26 feucht zu halten. Der Feuchtigkeitsaustauscher 80 entfernt auch Wasserdampf, der ein Nebenprodukt der elektrochemischen Reaktion ist. Überschüssiges flüssiges Wasser wird einem Verdampfer 58 zugeführt.
Das Brennstoffzellensystem 10 entfernt überschüssige Wärme vom Brennstoffzellenstapel 12 und verwendet die überschüssige Wärme, um mittels eines Kühlsystems 82 die Brennstofftanks 52 zu erwärmen. Das Kühlsystem 82 enthält einen Brennstoffzellen-Temperatursensor S1, z. B. einen Thermistor, der die Kerntemperatur des Brennstoffzellenstapels 12 überwacht. Die Temperatur wird als eine Eingabe an die Mikrosteuerung 40 geliefert. Ein Stapelstromsensor S2, z. B. ein Hallsensor, misst den Bruttostrom durch den Brennstoffzellenstapel 12 und liefert den Wert des Stroms als eine Eingabe an die Mikrosteuerung 40. Eine Kühllüfter-Steuerung CS3 steuert den Betrieb eines oder mehrerer Kühllüfter 84 zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels 12. Nach dem Passieren des Brennstoffzellenstapels 12 zirkuliert die erwärmte Kühlluft um die Brennstofftanks 52. Die erwärmte Kühlluft passiert dann den Ver dampfer 58. Eine Starkstromkreisrelais-Steuerung CS6 verbindet und trennt als Reaktion auf die Mikrosteuerung 40 den Brennstoffzellenstapel 12 mit und von einer elektrischen Schaltung. Eine Leistungsdiode 59 stellt eine Einweg-Isolierung des Brennstoffzellensystems 10 gegen die externe Last bereit, um das Brennstoffzellensystem 10 vor der externen Last zu schützen. Eine Batterierelais-Steuerung CS8 verbindet und trennt das Brennstoffzellenüberwachungs- und Steuersystem 14 zwischen dem Brennstoffzellenstapel 12 und der Batterie 47.
Das Brennstoffzellenüberwachungs- und Steuersystem 14 (in 4 dargestellt) enthält Sensoren zur Überwachung der Umgebung des Brennstoffzellensystems 10 und Aktoren zur entsprechenden Steuerung des Brennstoffzellensystems 10. Ein Wasserstoffkonzentrationssensor S5 (in 3 gezeigt) überwacht z. B. das Wasserstoffkonzentrationsniveau in der Umgebungsatmosphäre um den Brennstoffzellenstapel 12. Der Wasserstoffkonzentrationssensor S5 kann die Form eines Heizelements mit einem wasserstoffempfindlichen Thermistor annehmen, der temperaturkompensiert sein kann. Ein Sauerstoffkonzentrationssensor S7 (in 4 dargestellt) überwacht das Sauerstoffkonzentrationsniveau in der Umgebungsatmosphäre um das Brennstoffzellensystem 10. Ein Umgebungstemperatursensor S10 (in 3 dargestellt), z. B. ein digitaler Sensor, überwacht die Umgebungslufttemperatur um das Brennstoffzellensystem 10.
Wie aus 4 ersichtlich ist, empfängt die Mikrosteuerung 40 die verschiedenen Messungen der Sensoren wie z. B. Umgebungslufttemperatur, Brennstoffdruck, Wasserstoffkonzentration, Sauerstoffkonzentration, Strom des Brennstoffzellenstapels, Luftmassenstrom, Zellenspannungs-Prüfstatus, Spannung über dem Brennstoffzellenstapel und Spannung über dem Spülzellenabschnitt des Brennstoffzellenstapels von verschiedenen unten beschriebenen Sensoren. Die Mikrosteuerung 40 liefert die Steuersignale an die verschiedenen Aktoren, wie z. B. die Luftkompressor-Steuerung CS1, die Kühllüfter-Steuerung CS3, die Spülventil-Steuerung CS4, das Hauptgasventilsolenoid CS5, die Starkstromkreisrelais-Steuerung CS6, das Hydridtankventilsolenoid CS7 und die Batterierelais-Steuerung CS8.
Bauliche Anordnung des Brennstoffzellensystems
Die 5 bis 8 stellen die bauliche Anordnung der Komponenten im Brennstoff zellensystem 10 dar. Der Einfachheit halber werden "oben", "unten", "über", "unter" und ähnliche Deskriptoren lediglich als Referenzpunkte in der Beschreibung verwendet, und obwohl sie der allgemeinen Ausrichtung des dargestellten Brennstoffzellen systems 10 während des Betriebs entsprechen, sind sie nicht als die Ausrichtung des Brennstoffzellensystems 10 während des Betriebs oder anders einschränkend auszulegen.
Wie aus den 5 bis 7 ersichtlich ist, sind der Luftkompressor 78 und der Kühllüfter 84 an einem Ende ("Luftzufuhrende") des Brennstoffzellenstapels 12 zu einer Gruppe zusammengefasst. Die Brennstofftanks 52 (in den 5 bis 7 nicht dargestellt) sind oben auf dem Brennstoffzellenstapel 12 und dessen Länge entlang an das Brennstoffzellensystem 10 montierbar. Die Komponenten des Brennstoffregulierungssystems 54 stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 12 sind im Allgemeinen am Ende des Stapels 12 ("Wasserstoffzufuhrende") gegenüber dem Luftzufuhrende angeordnet.
Der Luftkompressor 78 ist in einem isolierten Gehäuse 700 untergebracht, das am Luftzufuhrende abnehmbar am Brennstoffzellenstapel 12 angebracht ist. Das Gehäuse 700 hat eine durch den Filter 76 abgedeckte Luftzufuhröffnung 702, die Zuluft in das Gehäuse 700 ermöglicht. Der Luftkompressor 78 ist ein Niederdruck-Verdrängerkompressor und kann so betrieben werden, dass er Zuluft bei einer durch den Bediener steuerbaren Strömungsrate an eine Oxidationsmittel-Luftzufuhrleitung 81 überträgt. Eine Luftzufuhrleitung 81 verläuft durch eine Leitungsöffnung 704 im Kompressorgehäuse 700 und ist an einen Luftzufuhreinlass 706 des Feuchtigkeitsaustauschers 80 angeschlossen. Der Massenstromsensor S8 ist an einem Einlass des Luftkompressors 78 und vorzugsweise innerhalb des Kompressorgehäuses 700 angeordnet.
Der Feuchtigkeitsaustauscher 80 kann dem im U.S.-Patent Nr. 6,106,964 offenbarten Typ entsprechen und ist auf einer Seite des Brennstoffzellenstapels 12 in der Nähe des Luftzufuhrendes angebaut. Über die Zufuhrleitung 81 in den Feuchtigkeitsaustauscher 80 eintretende Luft wird befeuchtet und dann aus dem Feuchtigkeitsaustauscher 80 und in den Brennstoffzellenstapel 12 (über den Zuluft-Einlassanschluss der Endplatte 18b) abgegeben. Abluft vom Brennstoffzellenstapel 12 tritt über den Abluft-Auslassanschluss in der Endplatte 18b aus und wird in den Feuchtigkeitsaustauscher 80 geleitet, wo Wasser im Abluftstrom an den Luftzufuhrstrom übertragen wird. Der Abluftstrom verlässt dann den Feuchtigkeitsaustauscher 80 über den Abluftauslass 712 und wird über eine Abluftleitung (nicht dargestellt) an den an einer Abdeckung (nicht dargestellt) über dem Brennstoffzellenstapel 12 anbaubaren Verdampfer 58 (in den 5 bis 7 nicht dargestellt) übertragen.
Der Kühllüfter 84 ist in einem Lüftergehäuse 720 untergebracht, das am Luftzufuhrende des Brennstoffzellenstapels 12 unter dem Kompressorgehäuse 700 abnehmbar angebracht ist. Das Lüftergehäuse 720 enthält eine Leitung 724, die Kühlluft vom Kühllüfter 84 zu den Kühlkanalöffnungen an der Unterseite des Brennstoffzellenstapels 12 leitet. Die Kühlluft wird nach oben und durch den Brennstoffzellenstapel 12 (über die Kühlkanäle 32) geleitet und aus den Kühlkanalöffnungen an der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 12 abgegeben. Während des Betriebs wird durch die Kühlluft dem Brennstoffzellenstapel 12 entzogene Wärme zum Erwärmen der Brennstofftanks 52 verwendet, die direkt über dem und entlang der Länge des Stapels 12 angebracht werden können. Ein Teil der erwärmten Kühlluft kann in die Luftzufuhröffnung 702 des Kompressorgehäuses 700 zur Verwendung als Oxiationsmittel-Zuluft umgeleitet werden.
Wie insbesondere aus 7 zu ersehen ist, ist die Platine 38, die die Mikrosteuerung 40, den Sauerstoffsensor S7 und den Umgebungsluftsensor S10 trägt, mittels einer Befestigungshalterung 730 auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 12 gegenüber dem Feuchtigkeitsaustauscher 80 befestigt. Positive und negative Stromversorgungsleitungen 732, 734 erstrecken sich von jedem Ende des Brennstoffzellenstapels 12 und können mit einer externen Last verbunden werden. Ein elektrisch leitfähiger Anzapfdraht 736 von jeder der Stromversorgungsleitungen 732, 734 ist an einem Stapel-Stromeingangsanschluss 738 mit der Platine 38 verbunden und überträgt einen Teil der vom Brennstoffzellenstapel 12 erzeugten Elektrizität, um die Komponenten auf der Platine 38 sowie Sensoren 44 und Aktoren 46, die an einem Anschluss 739 elektrisch mit der Platine 38 verbunden sind, mit Energie zu versorgen. Ähnlich ist die Batterie 47 (in den 5 bis 7 nicht dargestellt) bei Batteriespannung an einem Anschluss 740 mit der Platine 38 elektrisch verbunden. Die Batterie 47 liefert Energie an die Platinen-Komponenten, Sensoren 44 und Aktoren 46, wenn die Brennstoffzellenstapelausgabe (z. B. beim Start) noch keine Nennpegel erreicht hat. Sobald der Brennstoffzellenstapel 12 Nennbetriebsbedingungen erreicht hat, kann der Brennstoffzellenstapel 12 auch Energie liefern, um die Batterie 47 wieder aufzuladen.
Wie allgemein aus den 5 bis 7 und insbesondere aus 8 ersichtlich ist, ist am Wasserstoffzufuhrende eine Halterung 741 zum Befestigen eines Brennstofftankventilanschlusses 53, eines Wasserstoffdrucksensors 62, eines Überdruckventils 64, eines Hauptgasventils 66 und eines Wasserstoffdruckreglers 68 über dem Brennstoffzellenstapel 12 am Wasserstoffzufuhrende angeordnet. Ein geeigneter Druckregler kann ein von Fisher Controls, Marshalltown, Iowa, erhältlicher Druckregler Typ 912 sein. Ein geeigneter Drucksensor kann ein von Texas Instruments, Dallas, Texas, gelieferter Wandler sein. Ein geeignetes Überdruckventil kann von Schraeder-Bridgeport, Buffalo Grove, Illinois, geliefert werden. Das Überdruckventil 64 ist für die Brennstofftanks 52 vorgesehen und kann so eingestellt werden, dass es bei ca. 350 psi (2415 kPa) öffnet. Ein Niederdruck-Überdruckventil 742 ist für den Brennstoffzellenstapel 12 vorgesehen. Die Halterung 741 stellt auch eine Befestigung für den Wasserstoffkonzentrationssensor S5, den Wasserstoffheizungs-Stromsensor S6 und den Wasserstoffsensor-Prüfsensor S11 bereit, die in 6 sichtbar sind, in der die Halterung 741 in einer verdeckten Linie transparent dargestellt ist. Die Brennstofftanks 52 können mit dem Brennstofftankanschluss 53 verbunden werden. Wenn die Brennstofftank- und Hauptgasventile 56, 66 geöffnet sind, wird Wasserstoff unter einem kontrollierten Druck (durch den Drucksensor 62 überwacht und durch den Wasserstoffdruckregler 68 einstellbar) durch die Brennstoffzufuhrleitung 69 dem Brennstoffeinlassanschluss der Endplatte 18a zugeführt.
Das Spülventil 70 ist am Brennstoffauslassanschluss an der Endplatte 18b angeordnet. Eine Spülleitung (nicht dargestellt) verbindet das Spülventil 70 mit einem Einlass in der Leitung 724. Der Spülaustrag wird demgemäß vom Spülventil 70 durch die Spülleitung und in die Leitung geleitet, wobei der Spülaustrag im Kühlluftstrom, der schließlich vom Brennstoffzellensystem 10 abgeführt wird, verdünnt wird.
Das Brennstoffzellensystem 10 und die Brennstofftanks 52 sind in einer Systemabdeckung (nicht dargestellt) untergebracht und an Befestigungspunkten 744 mit einer Basis (nicht dargestellt) gekoppelt. Der Abschnitt der Abdeckung, die den Stapel 12 und das Brennstoffregelungssystem 54 abdeckt, ist so geformt, dass von der Oberseite des Brennstoffzellenstapels 12 abgegebene Kühlluft durch diesen Abschnitt der Abdeckung am Brennstoffregelungssystem 54 und am Sauerstoffkonzentration Sensor S5 vorbei durch einen Auslass (nicht dargestellt) in der Abdeckung und aus dem Brennstoffzellensystem 10 geleitet wird.
Das Brennstoffzellensystem 10 ist so ausgelegt, dass Komponenten, die zur Abgabe von Wasserstoff konzipiert sind, oder die eine Gefahr des Entweichens von Wasserstoff darstellen, im Kühlluftpfad angeordnet sind oder ihre Abgabe oder ihr Austrag auf den Kühlluftpfad gerichtet ist, soweit dies praktikabel ist. Der Kühlluftpfad ist durch die Leitung 724, Kühlluftkanäle des Stapels 12 und den Abschnitt der Systemabdeckung über dem Stapel 12 definiert. Ein den Kühlluftpfad passierender Kühlluftstrom ist in den 5, 6 und 7 durch Pfeile gezeigt. Zu den Komponenten direkt im Kühlluftpfad gehören die Brennstofftanks 52 und Komponenten des Brennstoffre gelungssystems 54, wie z. B. das Überdruckventil 64, das Hauptgasventil 66 und der Wasserstoffregler 68. Zu den Komponenten nicht direkt im Kühlluftpfad, die mit dem Kühlluftpfad in Fluidverbindung stehen, gehören das über die Spülleitung (nicht dargestellt) mit der Leitung 724 verbundene Spülventil 70 und das über die Leitung 746 mit einem Auslass in der Nähe des Brennstoffregelungssystems 54 verbundene Niederdruck-Überdruckventil 742. Wenn der Kühlluftlüfter 84 in Betrieb ist, transportiert der Kühlluftstrom in der Richtung der in den 5, 6, und 7 gezeigten Pfeile entwichenen oder abgegebenen Wasserstoff durch die Leitung 724 am Stapel 12 vorbei und aus dem System 10. Der Wasserstoffkonzentrationssensor S5 ist strategisch weit stromabwärts im Kühlluftstrom angeordnet, um im Kühlluftstrom transportierten Wasserstoff zu erkennen.
Der Wasserstoffkonzentrationssensor S5 ist außerdem in der Nähe der Komponenten des Brennstoffregelungssystems 54 angeordnet, um die Erfassung von Wasserstofflecks oder -abgaben aus dem Brennstoffregelungssystem 54 zu verbessern.
Der Wasserstoffsensor kann z. B. in der Oxidationsmittel-Abfuhrleitung oder irgendwo im Oxidationsmittelstrom stromabwärts des Stapels eingebaut sein. Wenn der Sensor im Oxidationsmittel-Abfuhrstrom platriert ist, kann der Oxidationsmittel-Abfuhrstrom so positioniert sein, dass sich der Sensor auch in der Nähe des Brennstoffregelungssystems befindet. Die hierin enthaltenen Lehren der Erfindung können auf andere Brennstoffzellensysteme, nicht unbedingt auf das oben beschriebene PME-Brennstoffzellensystem (PME: proton exchange membrane, Protonenaustauschmembran), angewendet werden.
Die gemeinsam übertragenen U.S.-Patente US 2003022038 mit dem Titel „FUEL CELL AMBIENT ENVIRONMENT MONITORING AND CONTROL APPARATUS AND METHOD", (Aktenz. des Anwalts 130109.404); U.S. 2003022036 mit dem Titel „FUEL CELL CONTROLLER SELF INSPECTION", (Aktenz. des Anwalts 130109.405); US 2003022040 mit dem Titel „FUEL CELL ANOMALY DETECTION METHOD AND APPARATUS", (Aktenz. des Anwalts 130109.406); US 2003022041 mit dem Titel „FUEL CELL PURGING METHOD AND APPARATUS", (Aktenz. des Anwalts 130109.407); US 2003022042 mit dem Titel „FUEL CELL RESUSCITATION METHOD AND APPARATUS", (Aktenz. des Anwalts 130109.408); US 2003022037 mit dem Titel „FUEL CELL SYSTEM METHOD, APPARATUS AND SCHEDULING", (Aktenz. des Anwalts 130109.409); US 2003022031 mit dem Titel „FUEL CELL SYSTEM AUTOMATIC POWER SWITCHING METHOD AND APPARATUS", (Aktenz. des Anwalts 130109.421); und US 200302250 mit dem Titel „PRODUCT WATER PUMP FOR FUEL CELL SYSTEM", (Aktenz. des Anwalts 130109.427), die alle am 25. Juli 2001 eingereicht wurden, können kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen bereitzustellen. Die beschriebenen Verfahren können einige Vorgänge weglassen und andere hinzufügen und die Vorgänge in einer anderen Reihenfolge als der dargelegten ausführen, um die Vorteile der Erfindung zu erzielen.
Diese und andere Änderungen können bei der Erfindung in Anbetracht der obigen detaillierten Beschreibung vorgenommen werden. Im Allgemeinen sollen in den folgenden Ansprüchen die verwendeten Begriffe nicht dahingehend ausgelegt werden, dass sie die Erfindung auf die speziellen in der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen einschränken, sondern sie sollen als alle Brennstoffzellensysteme, Steuerungen und Prozessoren, Aktoren und Sensoren, die gemäß den Ansprüchen wirken, einschließend ausgelegt werden. Folglich ist die Erfindung durch die Offenbarung nicht eingeschränkt, sondern ihr Gültigkeitsbereich ist gänzlich durch die folgenden Ansprüche zu bestimmen.

Claims

Stromerzeugungssystem, mit: – einem Brennstoffzellenstapel, der mindestens eine Feststoffpolymer-Brennstoffzelle aufweist; – einem Kühlsystem, das einen Kühlmittelstrompfad aufweist, um Kühlmittel zum und vom Stapel zu leiten; – einem einen Brennstoffstrompfad aufweisenden Brennstoffregelungssystem zum Regeln der Brennstoffzufuhr von einer Brennstoffversorgung über den Brennstoffstrompfad zum Stapel; – einem Wasserstoffkonzentrationssensor, der in der Nähe des Brennstoffregelungssystems und im Kühlmittelstrompfad an einer Stelle stromabwärts des Stapels angeordnet ist.
Stromerzeugungssystem nach Anspruch 1, bei dem das Brennstoffregelungssystem im Kühlmittelstrompfad an einer Stelle stromabwärts des Stapels angeordnet ist.
Stromerzeugungssystem nach Anspruch 2, ferner aufweisend: – eine mit dem Stapel gekoppelte Rohrleitung zum Leiten des Brennstoffabgasstroms von dem Stapel zum Kühlmittelstrompfad.
Stromerzeugungssystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend: – einen Brennstoffzufuhrverbinder zum Verbinden der Brennstoffversorgung mit dem Brennstoffstrompfad, der zumindest einen Abschnitt des Brennstoffregelungssystems bildet.
Stromerzeugungssystem nach Anspruch 4, ferner aufweisend: – ein Überdruckventil im Brennstoffstrompfad, das zumindest einen Abschnitt des Brennstoffregelungssystems bildet.
Stromerzeugungssystem nach Anspruch 5, ferner aufweisend: – ein Hauptbrennstoffventil im Brennstoffstrompfad, das zumindest einen Abschnitt des Brennstoffregelungssystems bildet.
Stromerzeugungssystem nach Anspruch 6, ferner aufweisend: – einen Wasserstoffdruckregler im Brennstoffstrompfad, der zumindest einen Abschnitt des Brennstoffregelungssystems bildet.
Stromerzeugungssystem nach Anspruch 1, bei dem das Kühlmittel Luft ist.
Stromerzeugungssystem nach Anspruch 8, ferner aufweisend: – ein Kühlmittelzufuhrgerät zum Leiten von Kühlluft zum Stapel, das zumindest einen Abschnitt des Kühlsystems bildet.
Stromerzeugungssystem nach Anspruch 9, ferner aufweisend: – einen Kanal zum Leiten der Kühlluft vom Gebläse zum Stapel, der zumindest einen Abschnitt des Kühlmittelstrompfads bildet.
Stromerzeugungssystem nach Anspruch 10, ferner aufweisend: – eine Anzahl Kühlmittelstromkanäle, die im Stapel ausgebildet sind, um den Durchgang von Kühlluft durch den Stapel zu ermöglichen, die zumindest einen Abschnitt des Kühlmittelstrompfads bilden.
Stromerzeugungssystem nach Anspruch 10, ferner aufweisend: – einen Stromerzeugungssystemgehäuseteil, der zumindest einen Abschnitt des Kühlmittelstrompfads bildet, der die vom Stapel ausgestoßene Kühlluft zum Wasserstoffkonzentrationssensor leitet.
Stromerzeugungssystem, mit: – einem Brennstoffzellenstapel, der mindestens eine Feststoffpolymer-Brennstoffzelle aufweist; – Mittel zum Leiten von Kühlmittel zum und vom Stapel, die einen Kühlmittelstrompfad umfassen; – Mittel zum Regeln der Brennstoffzufuhr von einer Brennstoffversorgung zum Stapel; und – einen Wasserstoffkonzentrationssensor, der in der Nähe der Mittel zum Regeln der Brennstoffzufuhr und im Kühlmittelstrompfad an einer Stelle stromabwärts des Stapels angeordnet ist.
Stromerzeugungssystem nach Anspruch 9, bei dem die Kühlmittelzuführung ein Gebläse aufweist.
Stromerzeugungssystem nach Anspruch 9, bei dem das Kühlmittelzufuhrgerät stromabwärts des Stapels angeordnet ist und die Kühlluft durch den Stapel saugt.
Stromerzeugungssystem nach Anspruch 9, bei dem das Kühlmittelzufuhrgerät stromabwärts des Wasserstoffkonzentrationssensors und des Brennstoffregelungssystems angeordnet ist.