DE102007009897B4

DE102007009897B4 - Gefrierfähiges kompaktes Brennstoffzellensystem mit verbesserter Befeuchtung und Entfernung von überschüssigem Wasser und eingeschlossenem Stickstoff, sowie Brennstoffzellensystemkonstruktion

Info

Publication number: DE102007009897B4
Application number: DE102007009897A
Authority: DE
Inventors: Andreas Könekamp; Reiner Essinger; Franz Winter
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2010-02-18
Anticipated expiration: 2027-03-01
Also published as: US20070207362A1; DE102007009897A1

Abstract

Gefrierfähiges kompaktes Brennstoffzellensystem, um eine verbesserte Befeuchtung und Entfernung von Überschusswasser und eingeschlossenem Stickstoffgas von dem Brennstoffzellensystem zu erleichtern, wobei das Brennstoffzellensystem eine Vielzahl von Brennstoffzellen (10) umfasst, die in einem Stapel angeordnet sind, wobei der Stapel angeordnet ist, um zu ermöglichen, dass ein sauerstoffhaltiges Gas mit einem wasserstoffhaltigen Gas reagiert, um Elektrizität zu erzeugen und ein sauerstoffhaltiges Abgas und ein wasserstoffhaltiges Abgas herzustellen, wobei das Brennstoffzellensystem umfasst:
a) einen Kathodeneinlass (66), einen Kathodenauslass (70), und eine Kathodenfluidverbindung (68) zwischen dem Kathodeneinlass (66) und dem Kathodenauslass (70); wobei die Kathodenfluidverbindung ein Gasdurchgang ist und zusammen mit dem Kathodeneinlass (66) und dem Kathodenauslass (70) eine Kathodenseite des Brennstoffzellensystems umfasst;
b) einen integrierten Anodeneinlass (56, 58), einen integrierten zusammengeführten Anodenauslass (60, 62), und eine Anodenfluidverbindung (64) zwischen dem integrierten Anodeneinlass (56, 58) und dem integrierten zusammengeführten Anodenauslass (60, 62); wobei die Anodenfluidverbindung ein Gasdurchgang ist und zusammen mit dem Anodeneinlass...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft kompakte PEM-Brennstoffzellensysteme, die gefrierfähig sind und für eine verbesserte Befeuchtung wie auch eine verbesserte Entfernung von überschüssigem Wasser und eingeschlossenem Stickstoffgas sorgen. Die kompakten PEM-Brennstoffzellensysteme der vorliegenden Erfindung sind insbesondere zur Integration in kleine Fahrzeugkarosserien geeignet.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind für viele Anwendungen als eine Energiequelle vorgeschlagen worden. Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzellen weisen attraktive Charakteristiken einer hohen Energie und einem geringen Gewicht auf und sind daher zur Verwendung als Energieanlagen in Elektrofahrzeugen sehr erstrebenswert. PEM-Brennstoffzellen enthalten einen dünnen protonendurchlässigen Festpolymermembranelektrolyt, der auf einer seiner Seiten eine Anode und auf der entgegengesetzten Seite eine Kathode aufweist. Die Membran in einer PEM-Brennstoffzelle besteht typischerweise aus einem Polysulfonsäure- oder perfluorierten Polysulfonsäuremonomer, das in ein Copolymer polymerisiert ist. Die PEM ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Elemente angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode und die Kathode dienen und die geeigneten Kanäle zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren enthalten. Die Kanäle für die Reaktanden werden als Strömungskanäle bezeichnet. Gewöhnlich wird eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen miteinander gebündelt, um einen PEM-Brennstoffzellenstapel zu bilden.
Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem protonenleitenden Harz gemischt sind. Die katalytischen Partikel sind typischerweise Edelmetalle, wie Platin. Die gesamte Anordnung aus Katalysatoren und PEM ist in der Technik als die Membranelektrodenanordnung (MEA) bekannt und ist daher ziemlich teuer herzustellen. Überdies erfordern MEAs gesteuerte Betriebsbedingungen, um eine Verschlechterung der Membran und der Katalysatoren zu verhindern. Unter den Bedingungen, die den Brennstoffzellenbetrieb verschlechtern, befinden sich Gefrierstartbedingungen, überschüssiges Wasser, falsche Befeuchtung, Steuerung einer Schädigung von Katalysatoren und Entlüftung von Überschussgasen, die zwischen den Kathoden- und Anodenseiten des Brennstoffzellenstapels wandern. Es ist ein besonderes Problem gewesen, dass Stickstoff aus Umgebungsluft, die als die Sauerstoffquelle an der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels verwendet wird, über die PEM wandern und sich in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels ansammeln kann. Die Ansammlung von Stickstoffgas kann den Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels beeinträchtigen. Es ist bestimmt worden, dass bis zu 60% des Anodengasvolumens aus Inertgasen bestehen. Es ist daher ein Vorteil gewesen, den überschüssigen Stickstoff von der Anode auszutragen. Zusätzlich kann sich restliches Wasser in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels ansammeln und den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle beeinträchtigen.
In der Vergangenheit ist es üblich gewesen, diese Gase an dem Anodenaustrag zu beseitigen. Da der Anodengasaustrag notwendigerweise restliches Wasserstoffgas enthält, ist es notwendig, eine spezielle katalytische Verbrennungsvorrichtung zu verwenden, um den Wasserstoff in einer vom Umweltstandpunkt her zulässigen Art und Weise zu beseitigen.
Das U.S. Patent 6,794,068 B2 von Rapaport et al., das am 21. September 2004 erteilt wurde, berücksichtigt einige dieser Probleme, indem jede der Zellen in jedem Segment derart angeordnet wird, dass die Reaktandengasdurchgänge jeder Zelle parallel zu jeder anderen Zelle sind. Eine Strömung des Brennstoffzellenfluides, normalerweise in einem gasförmigen Zustand an der Anoden- und der Kathodenseite jeder Zelle, erfolgt in einer schwerkraftunterstützten Abwärtsrichtung. Die schwerkraftunterstützte Strömung lenkt Wasser, das in jeder Zelle gebildet wird, an tiefere Entfernungspunkte der Stapelsegmente. Jedes Paar von Segmenten ist durch ein Separatorsegment, das einen Separatorkanal aufweist, getrennt, wobei das Separatorsegment eine integrale Einheit in dem Stapel bildet. Jeder Separatorkanal lenkt die gesamte Strömung jedes Fluides in dem Stapel von dem unteren Bereich eines oberstromigen Segments zu dem oberen Bereich eines nächsten oder unterstromigen Segmentes um, ohne das Fluid einer Reaktion zu unterziehen, wodurch die relative Feuchte zwischen den Stapelsegmenten gesteuert wird.
Überdies sah sich die Brennstoffzellenkonstruktion Herausforderungen hinsichtlich des Betriebs in trockenen oder kalten Umgebungen gegenüber. Genauer kann eine richtige Befeuchtung ein Problem in trockenem Klima oder unter trockenen Startbedingungen sein, da der Kathodeneinlass und die PEM beim Start richtig befeuchtet werden müssen, um einen Spitzenbetrieb des Brennstoffzellenstapels sicherzustellen. Zusätzlich kann Überschusswasser in der Anodenaustragsleitung oder der Anoden seite des Brennstoffzellenstapels bei kalten Bedingungen gefrieren, wodurch ein Start der Brennstoffzelle schwieriger gemacht wird.
Eine Anzahl von Schriften offenbaren verschiedene Aspekte von Brennstoffzellen und deren Konstruktion. Unter diesen befinden sich das U.S. Patent Nr. 5,272,017 A von Swathirajan et al., das am 21. Dezember 1993 eingereicht wurde; das U.S. Patent Nr. 5,316,871 A von Swathirajan et al., das am 31. Mai 1994 erteilt wurde; das U.S. Patent Nr. 5,478,662 A von Strasser, das am 26. Dezember 1995 erteilt wurde und das U.S. Patent Nr. 5,763,113 A von Meltser et al., das am 9. Juni 1998 erteilt wurde.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf ein gefrierkompatibles kompaktes Brennstoffzellensystem gerichtet, um eine verbesserte Befeuchtung der Brennstoffzelle beim Start und während des Betriebs zu erleichtern wie auch eine Entfernung von Überschusswasser und eingeschlossenem Stickstoffgas von der Anodenseite des Brennstoffzellensystems zu erleichtern.
Die vorliegende Erfindung ist ferner auf ein gefrierkompatibles Brennstoffzellensystem mit einem zusammengeführten integrierten Anodenauslass in Fluidverbindung mit einem Wasserseparator bzw. Wasserabscheider gerichtet, der seinerseits in Fluidverbindung mit dem Kathodeneinlass steht, um eine verbesserte Befeuchtung des Kathodeneinlasses bei Startbedingungen zu erleichtern.
Die vorliegende Erfindung ist ferner auf eine Konstruktion für ein Brennstoffzellensystem gerichtet, das eine kurze Fluidverbindung zwischen einem zusammengeführten Anodenauslass und einem Wasserseparator und eine kurze Verbindung zwischen dem Wasserseparator und dem Kathodeneinlass aufweist, um Startschwierigkeiten bei Gefrierbedingungen zu minimieren.
Die vorliegende Erfindung ist ferner auf eine gefrierfähige kompakte Brennstoffzellensystemkonstruktion für Fahrzeuge gerichtet, um eine Integration des Brennstoffzellensystems in eine Fahrzeugkarosserie zu erleichtern. Bevorzugte Varianten der Brennstoffzellensysteme der vorliegenden Erfindung sind in den untergeordneten Ansprüchen und der folgenden Beschreibung zu finden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird angesichts der folgenden detaillierten Beschreibung derselben in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen besser verständlich, in denen:
1 ein Schema eines bipolaren PEM-Brennstoffzellenstapels und eines Überwachungssystems dafür ist;
2 eine schematische Darstellung einer PEM-Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ist; und
3 eine perspektivische Ansicht des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung ist, das zur Integration in eine kleine Fahrzeugkarosserie angepasst ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Strukturen bezeichnen, und insbesondere auf 1 ist eine Brennstoffzelle 10 mit einer darin eingebauten kombinierten Membranelektrolyt- und Elektrodenanordnung (MEA) 12 in bildhafter, nicht zusammengebauter Form gezeigt. Die Brennstoffzelle 10 umfasst Endplatten 14 bzw. 16, Graphitblöcke 18, 20 mit Öffnungen 22, 24, um eine Gasverteilung zu erleichtern, Dichtungselementen 26, 28, Kohlegewebe-Stromkollektoren 30, 32 mit jeweiligen Verbindungen 31, 33 und die Membranelektrolyt- und Elektrodenanordnung (MEA) 12. Die beiden Sätze von Graphitblöcken, Dichtungselementen und Stromkollektoren, nämlich 18, 26, 30 und 20, 28, 32 werden als jeweilige Gas- und Stromtransportmittel 36, 38 bezeichnet. Die Anodenverbindung 31 und die Kathodenverbindung 33 werden zur Verbindung mit einer externen Schaltung verwendet und können andere Brennstoffzellen enthalten.
Die Brennstoffzelle 10 umfasst gasförmige Reaktanden, von denen einer ein Brennstoff ist, der von einer Brennstoffquelle 37 geliefert wird und der Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas sein kann, und ein anderer ein Oxidationsmittel ist, wie Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas, das von einer Quelle 39 geliefert wird. Die Gase von den Quellen 37, 39 diffundieren durch jeweilige Gas- und Stromtransportmittel 36, 38 an entgegengesetzte Seiten der MEA 12. Zusätzlich kann durch Bezugnahme auf 1 gesehen werden, dass die Brennstoffzelle 10 aus einer Kathodenseite 9 und einer Anodenseite 11 besteht. Poröse Elektroden 40 bilden eine Anode 42 an der Brennstoffseite und eine Kathode 44 an der Sauerstoffseite. Die Anode 42 ist von der Kathode 44 durch eine Protonenaustauschmembran (PEM) 46 getrennt. Die PEM 46 sorgt für einen Io nentransport, um Reaktionen in der Brennstoffzelle 10 zu erleichtern. Eine typische Membran, die kommerziell erhältlich ist, ist NAFION^®, das von E. I. Dupont de Nemours & Co. vertrieben wird. Eine andere wird von Dow Chemical vertrieben. Die PEMs bestehen aus Copolymeren geeigneter Monomere, um die Membrane zu bilden. Derartige Protonenaustauschmembrane können durch Monomere der Strukturen gekennzeichnet sein:
Der Fachmann erkennt, dass diese typische Struktur detailliert von Swathirajan et al., U.S. Patent Nr. 5,316,871 A offenbart ist, das hier durch Bezugnahme mit seiner vollständigen Offenbarung enthalten ist.
Ein Brennstoffzellenstapel ist aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen aufgebaut, die miteinander gepaart sind. Diese Paare sind in Stapel miteinander verbunden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, der zur Verwendung als eine Energieanlage für die Erzeugung elektrischer Energie für Fahrzeuge beabsichtigt ist.
Bezug nehmend auf 2 ist darin eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels und zugeordneter Komponenten und Verbindungen, die in der vorliegenden Erfindung betrachtet werden, gezeigt.
Der Brennstoffzellenstapel 48 besteht, wie oben festgestellt ist, aus einer Vielzahl gepaarter Brennstoffzellen, die miteinander auf eine solche Weise verbunden sind, um die effiziente Erzeugung elektrischer Energie in einer kompakten Konstruktion zu ermöglichen. Der Brennstoffzellenstapel besitzt einen Kühlmitteleinlass 50 und einen Kühlmittelauslass 52 in Fluidverbindung 54, so dass das Kühlmittel über den Brennstoffzellenstapel zirkuliert wird, um eine effiziente Kühlung des Stapels beim Betrieb vorzusehen. Es sei angemerkt, dass sich der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass in einer geschlossenen Fluidverbindung 55 befinden, um ein geschlossenes Kühlsystem für den Brennstoffzellenstapel vorzusehen, wie es bereits in der Technik bekannt ist. Diesbezüglich ist die geschlossene Kühlmittelfluidverbindung als eine Vielzahl von Kühlmitteldurchgängen zu verstehen, um einen Kühlwirkungsgrad zu maximieren. Es wird erwogen, dass die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels im Bereich von 60 bis 80 Grad Celsius liegt, und es ist wichtig, dass eine effiziente Kühlung des Stapels aufrechterhalten wird.
Der Brennstoffzellenstapel ist ferner mit integrierten Anodeneinlässen 56 und 58 ausgestattet, die in die Anodenseite der Brennstoffzellen integriert sind. Zusammengeführte integrierte Anodenauslässe 60 und 62 stehen in Fluidverbindung 64 mit den Anodeneinlässen. Während dies in 2 schematisch gezeigt ist, sei zu verstehen, dass eine Vielzahl von Anodenfluidverbindungen, die in einer Vielzahl von Durchgängen angeordnet sind, beabsichtigt ist, um den Betrieb des anodenseitigen Brennstoffzellenstapels zu maximieren. Zusätzlich sind die Anodenfluide Anodenabgase wie auch Überschusswasser aus der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels. Der Kathodeneinlass 66 steht in Fluidverbindung 68 mit dem Kathodenauslass 70. Wiederum sei zu verstehen, dass, während die Kathodenfluidverbindung schematisch gezeigt ist, der Fachmann erkennt, dass eine Vielzahl von Kathodenfluidverbindungen, die in einer Vielzahl von Durchgängen angeordnet sind, für den effizienten Betrieb der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels beabsichtigt ist. Zusätzlich sind Kathodenfluide Kathodenabgase und Wasser aus der Kathodenseite des Brenn stoffzellenstapels. Es ist wichtig anzumerken, dass die vorliegende Erfindung die Anpassung eines zusammengeführten integrierten Anodenauslasses zusammen mit integrierten Anodeneinlässen beabsichtigt, um Raumanforderungen zur Anordnung der Brennstoffzelle an schwierigen Stellen zu minimieren, wie der Integration des Brennstoffzellenstapels in eine kleine Fahrzeugkarosserie.
Die zusammengeführten integrierten Anodenauslässe 60 und 62 stehen in Fluidverbindung 72, 73 mit einem Wasserseparator 74 durch eine Membran 76. Während schematisch eine einzelne Membran gezeigt ist, erkennt der Fachmann, dass auch eine Vielzahl von Membranen verwendet werden kann. Die Membran ist eine Wasserabtrennmembran bzw. Wasserabscheidemembran und ist gewöhnlich ein Copolymer aus Monomeren von Polyperfluorsulfonsäure, ein Copolymer aus Monomeren von Polysulfonsäure oder einem anderen geeigneten Material, um die effiziente Trennung bzw. Abscheidung von Wasser von den Abgasen der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zu ermöglichen. Der Wasserseparator ist ferner mit einem Füllsensoranzeiger 78 ausgestattet, der den Pegel in dem Wasserseparator erfasst und dieses Signal an eine entfernte Motorsteuerung (ECM) überträgt. Das ECM enthält geeignete Software, um die Abgabe von Wasser von dem Separator zu steuern.
Der Wasserseparator ist ferner mit einer ersten Öffnung 80 in einem ersten Ende des Separators und einer zweiten Öffnung 82 in einem zweiten Ende des Separators ausgestattet. An seinem ersten Ende ist der Wasserseparator mit einer ersten Öffnung in Fluidverbindung 90 an einem ersten Ende mit einem Ablassventil 92 und an einem zweiten Ende mit einem Spülventil 94 ausgestattet. Begleitend zu dem Ablassventil ist ein Differenzdrucksensor 96 vorgesehen, der den Durchfluss des Ablassventils steuert. Das Ablassventil steht in Fluidverbindung mit der Fluidverbindung 75 zwischen dem Kathodenauslass und dem Kathodeneinlass, um die Rezirkulation von Wasser von dem Anodenabgas zu dem Kathodeneinlass zu ermöglichen, um eine Befeuchtung im Betrieb des Systems zu verbessern. Der Differenzdrucksensor dient dazu, den Durchfluss des Ablassventils zu steuern, und wird dazu verwendet, eingeschlossenen Wasserstoff, Stickstoff von dem Anodenabgas zu entlüften. Es sei in der Technik zu verstehen, dass Stickstoff, der sich an der Anodenseite einer Brennstoffzelle aufbaut, im Betrieb üblich ist, wenn die Quelle für sauerstoffhaltiges Gas Umgebungsluft ist. Luft umfasst etwa 80% Stickstoff, und ein Teil dieses Gases kann über die PEM wandern, wo es den Wirkungsgrad der Anodenseite der Brennstoffzelle langsam beeinträchtigen kann. Der Stickstoffaufbau ist gut verstanden und kann auf Grundlage des Betriebsniveaus der Brennstoffzelle berechnet und vorherbestimmt werden. Auf diese Weise wird der Differenzdrucksensor dazu verwendet, den Durchfluss des Ablassventils, um den Stickstoff auf eine vorhersagbare Weise zu entlüften, durch Signale, die von dem ECM auf Grundlage des Betriebs der Brennstoffzelle erhalten werden, im Vergleich zu Werten von Stickstoff und Wassererzeugung, die in Tabellen in dem ECM gespeichert sind, zu steuern.
Das zweite Ende der Fluidverbindung von dem ersten Ende des Wasserseparators ist mit einem Spülventil ausgestattet, um überschüssige Anodenabgase zu entlüften. Das Spülventil besitzt einen Drucksensor 98, der einen Druck des Anodensystems erfasst, um das Spülventil zu steuern. Das Spülventil, das ein Anodendruckventil ist, besitzt zwei Aufgaben. Eine Aufgabe besteht darin, die Anode beim Abschalten zu spülen und auszutrocknen. Die zweite Aufgabe besteht darin, in dem Fall eines Zwischenfalls beim Betrieb der Brennstoffzelle als ein Druckentlastungsventil zu wirken. Das Anodendruckventil oder Spülventil detektiert den Druck der Anodengase in der Fluidverbindung 90 und sendet ein Signal an das ECM, das das Spülventil anweist, nach Bedarf zu öffnen und zu schließen, um die Überschussanodenabgase von dem Brennstoffzellenstapelsystem zu entlüften.
Die zweite Öffnung 82 steht in Fluidverbindung 84 mit einem Anodenabflussventil und dient als ein Kathodenwasserbefeuchtungsventil 86. Das Ventil 86 steht in Fluidverbindung 88 mit der Kathodenfluidverbindung 75. Diese Verbindung erlaubt, dass das Kathodenwasserbefeuchtungsventil den Kathodeneinlass befeuchtet, um für eine verbesserte Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels in einer kompakten Konstruktion zu sorgen. Zusätzlich ist die Fluidverbindung zwischen dem Wasserseparator, dem Kathodenwasserbefeuchtungsventil und dem Kathodeneinlass so kurz wie möglich aufgebaut. Dies ist eine wichtige Betrachtung, insbesondere bei Betrachtung des Brennstoffzellenbetriebs bei kalten oder Gefriertemperaturen.
Insbesondere ist es ein Problem gewesen, eine gefrierfähige kompakte Brennstoffzellenstapelkonstruktion, die zum Einbau in eine kleine Fahrzeugkarosserie geeignet ist, für den Betrieb bei trockenen Bedingungen oder Gefriertemperaturen vorzusehen. Nach einem Abschalten kann Wasser in dem System insbesondere in den Fluidverbindungen zwischen dem Anodenauslass und dem Kathodenauslass gefrieren. In der Vergangenheit sind elektrische Heizer verwendet worden, um diese Verbindung zu erwärmen und jegliches gefrorenes Wasser zu schmelzen, um Starts des Brennstoffzellenstapels bei Gefriertemperaturen zu ermöglichen. Sobald das System gestartet ist, verhindert Restwärme in dem Wasser, das von der Anodenseite durch den Separator und durch die Fluidverbindung 72, 73 rezirkuliert wird, ein Gefrieren während des Betriebs. Durch Verwendung der Konstruktion der vorliegenden Erfindung, bei der die Verbindung zwischen dem Separator, den Anodenauslässen und dem Kathodenauslass auf ihre absolut minimale Länge reduziert ist, ist das Problem eines Gefrierens von Wasser effizient gelöst worden, wodurch ermöglicht wird, dass der Konstrukteur elektrische Heizmittel weglassen kann, um die Fluidverbindung bei kaltem Wetter vor dem Start des Brennstoffzellenstapels zu erhitzen. Dies spart Raum und Komplexität und ermöglicht eine effizientere Integration des Brennstoffzellenstapels in eine kleine Fahrzeugkarosserie.
Die Verwendung der vorliegenden Erfindung sieht verschiedene Vorteile für die Entwicklung von Brennstoffzellensystemen vor, die gefrierfähig und zum Einbau in kleine Fahrzeugkarosseriekonstruktionen anpassbar sind.
Genauer ist bei trockenen Betriebsbedingungen oder, nachdem eine Brennstoffzelle abgeschaltet ist, die PEM einer gewissen Austrocknung ausgesetzt, was ihre spätere Effizienz im Betrieb oder bei Startbedingungen beeinträchtigen kann. Zusätzlich wird bei trockenen Betriebsbedingungen, wenn die Umgebungstemperaturen kalt sind oder es sogar gefriert, die Trockenheit ausgeprägt und die PEM kann einer reduzierten Lebensdauer bei trockenen Betriebsbedingungen ausgesetzt sein. Es ist herausgefunden worden, dass die vorliegende Konstruktion, wie hier beschrieben ist, den Kathodeneinlass mit einer verbesserten Befeuchtung beim Start und bei Betrieb unter allen Betriebsbedingungen, einschließlich trocknen Betriebsbedingungen, versieht. Zusätzlich besitzt das beschriebene System reduzierte Komplikationen in Verbindung mit einem Gefrieren, was den Bedarf nach zusätzlichen Heizeinheiten von bisherigen Brennstoffzellenkonstruktionen, die für Elektrofahrzeuge verwendet werden, beseitigt. Das System erlaubt ferner die verbesserte Befeuchtung der PEM und Befeuchtung des Kathodeneinlasses, um einen effizienten Betrieb des Brennstoffzellenstapels in einem breiteren Bereich von Betriebsbedingungen und -temperaturen zu ermöglichen.
3 ist eine Perspektive der Brennstoffzellenstapelkonstruktion der vorliegenden Erfindung, die ihre Anpassbarkeit zum Einbau in eine kleine Fahrzeugkarosserie zeigt. Der Brennstoffzellenstapel ist mit dem zusammengeführten integrierten Anodenauslass für einen leichteren Zugang und eine leichtere Wartung gezeigt. Zusätzlich sind die Fluidverbindungen von dem Anodenauslass sehr kurz und kompakt, um die Gefrierprobleme, die vorher beschrieben wurden, zu reduzieren. Zusätzlich erlaubt die kompakte Beschaffenheit der Fluidverbindungen die Beseitigung zusätzlicher Heizelemente für Kaltwetteranwendungen. Die Orientierung von Komponenten wie auch die Beseitigung von Komponenten erlaubt die leichte Integration der kompakten Brennstoffzellenkonstruktion, die beschrieben wurde, in kleine Fahrzeugkarosserien.

Claims

Gefrierfähiges kompaktes Brennstoffzellensystem, um eine verbesserte Befeuchtung und Entfernung von Überschusswasser und eingeschlossenem Stickstoffgas von dem Brennstoffzellensystem zu erleichtern, wobei das Brennstoffzellensystem eine Vielzahl von Brennstoffzellen (10) umfasst, die in einem Stapel angeordnet sind, wobei der Stapel angeordnet ist, um zu ermöglichen, dass ein sauerstoffhaltiges Gas mit einem wasserstoffhaltigen Gas reagiert, um Elektrizität zu erzeugen und ein sauerstoffhaltiges Abgas und ein wasserstoffhaltiges Abgas herzustellen, wobei das Brennstoffzellensystem umfasst: a) einen Kathodeneinlass (66), einen Kathodenauslass (70), und eine Kathodenfluidverbindung (68) zwischen dem Kathodeneinlass (66) und dem Kathodenauslass (70); wobei die Kathodenfluidverbindung ein Gasdurchgang ist und zusammen mit dem Kathodeneinlass (66) und dem Kathodenauslass (70) eine Kathodenseite des Brennstoffzellensystems umfasst; b) einen integrierten Anodeneinlass (56, 58), einen integrierten zusammengeführten Anodenauslass (60, 62), und eine Anodenfluidverbindung (64) zwischen dem integrierten Anodeneinlass (56, 58) und dem integrierten zusammengeführten Anodenauslass (60, 62); wobei die Anodenfluidverbindung ein Gasdurchgang ist und zusammen mit dem Anodeneinlass (56, 58) und dem zusammengeführten Anodenauslass (60, 62) eine Anodenseite des Brennstoffzellensystems umfasst; wobei die Anodenfluidverbindung (64) von der Kathodenfluidverbindung (68) durch eine Protonenaustauschmembran (46) getrennt ist; c) einen Kühlmitteleinlass (50) und einen Kühlmittelauslass (52) in Fluidverbindung (54) miteinander; d) einen Wasserseparator (74) in Fluidverbindung (72, 73) mit dem integrierten zusammengeführten Anodenauslass (60, 62), wobei der Wasserseparator (74) Wasser und in dem wasserstoffhaltigen Abgas enthaltene Gase aufnimmt und mit einer Wasserabtrennmembran (76) und einem Fluidpegelanzeiger (78) ausgestattet ist und ferner mit einer ersten Öffnung (80) an einem Ende desselben und einer zweiten Öffnung (82) an einem anderen Ende desselben ausgestattet ist; e) einer Fluidverbindung (90), die mit der ersten Öffnung (80) des Wasserseparators (74) verbunden ist, wobei die Fluidverbindung (90) mit einem Ablassventil (92) an einem ersten Ende derselben und einem Spülventil (94) an einem zweiten Ende derselben ausgestattet ist, wobei das Ablassventil (92) durch einen Differenzdrucksensor (96) gesteuert und geregelt wird; wobei das Ablassventil (92) in Fluidverbindung (75) mit der Kathodenfluidverbindung (68) zwischen dem Kathodenauslass (70) und dem Kathodeneinlass (66) steht; wobei das Spülventil (94) durch einen Drucksensor (98) gesteuert und geregelt wird, um überschüssiges Anodenabgas von dem Brennstoffzellensystem zu entlüften; und f) ein Kathodenwasserbefeuchtungsventil (86) in Fluidverbindung (84) mit der zweiten Öffnung (82) des Wasserseparators (74) an einem ersten Ende desselben und in Fluidverbindung (88) mit dem Kathodeneinlass (66) an einem zweiten Ende desselben, um zu ermöglichen, dass die Strömung von Wasser von dem Wasserseparators (74) zu dem Kathodeneinlass (66) den Kathodeneinlass (66) befeuchtet.
Gefrierfähiges kompaktes Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der zusammengeführte Anodenauslass (60, 62) in Fluidverbindung mit dem Kathodeneinlass (66) steht.
Gefrierfähiges kompaktes Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das wasserstoffhaltige Abgas eingeschlossenes Stickstoffgas von der Anodenseite aufweist und der Differenzdrucksensor (96) den Durchfluss des Ablassventils (92) steuert, um das eingeschlossene Stickstoffgas zu entlüften, um überschüssiges Stickstoffgas von der Anodenseite des Brennstoffzellensystems zu entfernen.
Gefrierfähiges kompaktes Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei die Steuerung für den Differenzdrucksensor (96) des Ablassventils (92) auf einem Modell basiert, das in einem elektronischen Steuermodul enthalten ist.
Gefrierfähiges kompaktes Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Wasserabtrennmembran (76) aus einem Polymer der Monomere von Polysulfonsäure und Polyperfluorsulfonsäure besteht.
Gefrierfähige kompakte Brennstoffzellensystemkonstruktion, um eine Integration der Brennstoffzellensystemkonstruktion in eine Fahrzeugkarosserie zu erleichtern, wobei die Brennstoffzellensystemkonstruktion umfasst: a) eine Vielzahl von Brennstoffzellen (10), die mit einer Vielzahl von Reaktandengasdurchgängen ausgestattet sind, die jeweils einen gemeinsamen Einlassreaktandengasdurchgang und einen gemeinsamen Auslassreaktandengasdurchgang aufweisen; Kühlmitteldurchgänge (51) in Fluidverbindung (54) mit einem Kühlmitteleinlass (50) und einem Kühlmittelauslass (52); einen Kathodeneinlass (66), einen Kathodenauslass (70) und eine Kathodenfluidverbindung zwischen dem Kathodeneinlass (66) und dem Kathodenauslass (70) sowie integrierte Anodeneinlässe (56, 58) in Fluidverbindung (64) mit einem integrierten zusammengeführten Anodenauslass (60, 62); b) einem Wasserseparator (74) in Fluidverbindung (72, 73) mit dem zusammengeführten Anodenauslass (60, 62), wobei der Wasserseparator (74) mit einem Fluidpegelanzeiger (78) und einem Wasserreservoir ausgestattet ist und ferner mit einer ersten Öffnung (80) des Wasserseparators (74) an einem Ende desselben und einer zweiten Öffnung (82) des Wasserseparators (74) an einem anderen Ende desselben ausgestattet ist; c) einer Fluidverbindung (90), die mit der ersten Öffnung (80) des Wasserseparators (74) verbunden ist; wobei diese Fluidverbindung (90) mit einem Ablassventil (92) an einem ersten Ende derselben und einem Spülventil (94) an einem zweiten Ende derselben ausgestattet ist; wobei das Ablassventil (92) durch einen Differenzdrucksensor (96) gesteuert und geregelt wird; wobei das Ablassventil (92) in Fluidverbindung (75) mit dem Kathodenauslass (70) der Brennstoffzellensystemkonstruktion und dem Kathodeneinlass (66) steht; wobei das Spülventil (94) durch einen Drucksensor (98) gesteuert und geregelt wird, um überschüssiges Anodenabgas von den Brennstoffzellen (10) zu entfernen; d) einem Kathodenwasserbefeuchtungsventil (86) in Fluidverbindung (84) mit der zweiten Öffnung (82) des Wasserseparators (74) an einem ersten Ende desselben und in Fluidverbindung (88) mit dem Kathodeneinlass (66), um die Kathode zu befeuchten; e) wobei die Vielzahl von Brennstoffzellen (10) als Paare in einem Stapel vorhanden und ausgebildet sind, die als benachbarte Segmente angeordnet sind, die durch ein Separatorsegment getrennt sind, wobei das Separatorsegment eine angrenzende bauliche Verbindung zwischen jedem Paar von zumindest zwei Brennstoffzellen (10) bildet.
Kompakte Brennstoffzellensystemkonstruktion nach Anspruch 6, wobei zumindest ein Anodenauslass (60, 62) in Fluidverbindung mit dem Kathodeneinlass (66) steht.
Kompakte Brennstoffzellensystemkonstruktion nach Anspruch 6, ferner mit einem Katalysator benachbart zu der Protonenaustauschmembran (46), um zu ermöglichen, dass wasserstoffhaltiges Gas mit sauerstoffhaltigem Gas bei einer niedrigen Temperatur reagiert.
Kompakte Brennstoffzellensystemkonstruktion nach Anspruch 8, wobei die Temperatur im Bereich von 60 bis 80 Grad Celsius liegt.
Kompakte Brennstoffzellensystemkonstruktion nach Anspruch 6, wobei der Wasserseparator (74) mit zumindest einer Wasserabtrennmembran (76) ausgestattet ist, um Wasser von dem Anodenabgas abzutrennen; wobei der Wasserseparator (74) das Wasser kondensiert, um es durch den Wasserseparator (74) im Hinblick auf die Übertragung an andere Teile des Brennstoffzellensystems zu halten, und andere Bestandteile des Anodenabgases durch das Spülventil (94) entlüftet.
Kompakte Brennstoffzellensystemkonstruktion nach Anspruch 10, wobei der Wasserseparator (74) mit einer Vielzahl von Wasserabtrennmembranen (76) ausgestattet ist, um Wasser von dem Anodenabgas abzutrennen.
Kompakte Brennstoffzellensystemkonstruktion nach Anspruch 6, wobei das Gas an dem Anodeneinlass (56, 58) Wasserstoff ist.
Kompakte Brennstoffzellenkonstruktion nach Anspruch 6, wobei das sauerstoffhaltige Gas an dem Kathodeneinlass (66) Umgebungsluft ist.
Kompaktes Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei die Wasserabtrennmembran (76) ein Copolymer von Polyperfluorsulfonsäure ist.