DE102008009130A1

DE102008009130A1 - Systemstabilitäts- und Leistungsfähigkeitsverbesserung mit einer Anoden-Wärmeaustauscherinstallation und -Rezirkulationsrate

Info

Publication number: DE102008009130A1
Application number: DE102008009130A
Authority: DE
Inventors: Joe C. Machuca; Abdullah B. Alp
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-02-19
Filing date: 2008-02-14
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2028-02-15
Also published as: US7919209B2; US20080199742A1; DE102008009130B4

Abstract

Brennstoffzellensystem, das die Stapelstabilität erhöht, indem es die Menge an flüssigen Wassertröpfchen an dem Anodeneingang eines Brennstoffzellenstapels in dem System verringert. Rezirkuliertes Anodenabgas von dem Brennstoffzellenstapel und frisches Wasserstoffgas werden zu einem Anoden-Wärmeaustauscher geschickt, sodass sowohl das frische Wasserstoffgas als auch das rezirkulierte Anodenabgas erwärmt werden, um die Bildung von Wassertröpfchen in dem Anodeneingangsgas zu reduzieren. Ferner wird ein Anteil des erwärmten Kühlfluids direkt von dem Brennstoffzellenstapel zu dem Wärmeaustauscher geschickt, um das frische Wasserstoffgas und den Rezirkulations-Wasserstoff zu erwärmen, bevor das Kühlfluid zu einem Isolier-Wärmeaustauscher geschickt wird, um seine Temperatur herabzusetzen.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffzellensystem, das ein Anoden-Rezirkulationsgas erwärmt, um zu verhindern, dass sich Wassertröpfchen bilden, um die Systemstabilität zu verbessern, und im Spezielleren ein Brennstoffzellensystem, das eine erwärmtes Kühlfluid direkt von dem Stapel verwendet, um ein Anoden-Rezirkulationsgas zu erwärmen, um zu verhindern, dass sich Wassertröpfchen bilden, um die Systemstabilität zu verbessern.
2. Erläuterung des Standes der Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und verwendet werden kann, um effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Wasserstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, um freie Protonen und Elektronen zu bilden. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Wasserstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu bilden. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden daher durch einen Verbraucher geleitet, um Arbeit zu leisten, bevor sie zu der Kathode geschickt werden. Die Arbeit dient dazu, das Fahrzeug zu betreiben.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind gängige Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende feste Polymerelektrolyt-Membran wie z. B. eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein verteilte katalytische Partikel, üblicherweise Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer vermischt sind. Das katalytische Gemisch ist auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination aus dem katalytischen Anodengemisch, dem katalytischen Kathodengemisch und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
Mehrere Brennstoffzellen sind typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Ein Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel kann etwa vierhundert Brennstoffzellen umfassen. Der Brennstoffzellenstapel empfängt ein Kathodenreaktandengas, typischerweise einen Luftstrom, der von einem Verdichter durch den Stapel gezwungen wird. Der Stapel verbraucht nicht den gesamten Sauerstoff und etwas von der Luft wird als ein Kathodenabgas, das Wasser als ein Stapel-Nebenprodukt enthalten kann, abgegeben. Der Brennstoffzellenstapel empfängt auch ein Anoden-Wasserstoffreaktandengas, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von Strömungsfeld- oder bipolaren Platten, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind. Die bipolaren Platten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. Ano dengas-Strömungskanäle sind auf der Anodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, die zulassen, dass das Anodengas zu der Anodenseite der MEA strömt. Kathodengas-Strömungskanäle sind auf der Kathodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, die zulassen, dass das Kathodengas zu der Kathodenseite der MEA strömt. Die bipolaren Platten umfassen auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.
Wie in der Technik gut bekannt, müssen die Membranen innerhalb einer Brennstoffzelle eine bestimmte relative Feuchte aufweisen, sodass der Innenwiderstand über die Membran genügend klein ist, um Protonen effektiv zu leiten. Während des Betriebes des Brennstoffzellenstapels können ein Wasser-Nebenprodukt und Feuchtigkeit von außen in die Anoden- und Kathodenströmungskanäle eindringen. Bei geringem Leistungsbedarf, typischerweise unter 0,2 A/cm², kann sich das Wasser innerhalb der Strömungskanäle sammeln, da die Strömungsgeschwindigkeit des Reaktandengases zu gering ist, um das Wasser aus den Kanälen zu zwingen. Wenn die Wasseransammlung größer wird, kann der Strömungskanal zumachen und das Reaktandengas wird zu anderen Strömungskanälen umgelenkt, da sich die Kanäle parallel zueinander zwischen gemeinsamen Einlass- und Auslass-Sammelrohren befinden. Da das Reaktandengas nicht durch einen Kanal strömen kann, der durch Wasser blockiert ist, kann das Reaktandengas das Wasser nicht aus dem Kanal zwingen. Jene Bereiche der Membran, die infolgedessen, dass die Kanale blockiert sind, kein Reaktandengas empfangen, werden keine Elektrizität erzeugen, was zu einer inhomogenen Stromverteilung führt und die Gesamteffizienz der Brennstoffzelle herabsetzt. Wenn mehr und mehr Strömungskanäle durch Wasser blockiert werden, nimmt die durch die Brennstoffzelle erzeugte Elektrizität ab, wobei ein Zellenspannungspotenzial von weniger als 200 mV als ein Zellendefekt gilt. Da die Brennstoffzellen elektrisch in Serie geschaltet sind, kann es dazu kommen, dass, wenn eine der Brennstoffzel len aufhört zu arbeiten, der gesamte Brennstoffzellenstapel zu arbeiten aufhören kann.
In einem bekannten Brennstoffzellenaufbau wird Anodenabgas zurück zu dem Anodeneingang rezirkuliert, sodass nicht umgesetzter Wasserstoff in dem Abgas wiederverwendet werden kann. Das Anodenabgas von dem Stapel weist eine erhöhte Temperatur auf und wird infolge des Stapelwasser-Nebenprodukts befeuchtet. Wenn das erwärmte und befeuchtete Rezirkulations-Anodenabgas mit dem frischen, trockenen und kühlen Wasserstoff an dem Anodeneingang gemischt wird, bewirkt die Temperaturdifferenz daher, dass der Wasserdampf innerhalb des rezirkulierten Anodenabgases zu flüssigen Wassertröpfchen kondensiert. Die flüssigen Wassertröpfchen gelangen dann in die Anodenreaktandengas-Strömungskanäle und verursachen möglicherweise Zellenstabilitätsprobleme wie oben erläutert.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das die Stapelstabilität erhöht, indem es die Menge an flüssigen Wassertröpfchen an dem Anodeneingang eines Brennstoffzellenstapels in dem System verringert. Rezirkuliertes Anodenabgas von dem Brennstoffzellenstapel und frisches Wasserstoffgas werden zu einem Anoden-Wärmeaustauscher geschickt, sodass sowohl das frische Wasserstoffgas als auch das rezirkulierte Anodenabgas erwärmt werden, um die Bildung von Wassertröpfchen in dem Anodeneingangsgas zu reduzieren. Ferner wird ein Anteil des erwärmten Kühlfluids direkt von dem Brennstoffzellenstapel zu dem Anoden-Wärmeaustauscher geschickt, um das frische Wasserstoffgas und den Rezirkulations-Wasserstoff zu erwärmen, bevor das Kühlfluid zu einem Isolier-Wärmeaustauscher (engl. Isolation hat exchanger) geschickt wird, um seine Temperatur herabzusetzen.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Draufsicht eines bekannten Brennstoffzellensystems, das eine Anoden-Rezirkulation verwendet; und
2 ist eine schematische Draufsicht eines Brennstoffzellensystems, das sowohl frisches Wasserstoffgas als auch rezirkuliertes Anodenabgas an dem Anodeneingang erwärmt und erwärmtes Kühlfluid verwendet, um das frische Wasserstoffgas und das rezirkulierte Anodenabgas zu erwärmen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Die folgende Erläuterung der Ausführungsformen der Erfindung, die ein Brennstoffzellensystem vorsehen, das ein erwärmtes Kühlfluid verwendet, um das Anodeneingangsgas zu erwärmen, ist lediglich beispielhaft und soll die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen in keiner Weise einschränken.
1 ist ein schematisches Diagramm eines bekannten Brennstoffzellensystems 10 vom oben erläuterten Typ. Die Kathodenseite des Systems 10 ist zum besseren Verständnis nicht gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12, der eine Wasserstoffreaktandengas-Strömung in der Leitung 14 von einer Wasserstoffquelle 16, z. B. einem Druckgasbehälter, empfängt. Das Wasserstoffgas von der Quelle 16 wird an die Anodeneinlasseinheit (AEE) 18 geschickt, die das Wasserstoffgas mit einer/m gewünschten Strömungsgeschwindigkeit und Druck in den Brennstoffzellenstapel 12 einspritzt. Bei diesem Aufbau wird Anodenabgas von dem Stapel 12 in der Leitung 22 abgegeben und wird dann mithilfe einer Pumpe 24 zurück zu der Eingangsleitung 14 rezirkuliert, um den nicht umgesetzten Wasserstoff wiederzugewinnen. Das Anodenabgas von dem Brennstoffzellenstapel 12 wird auf Grund der Betriebstemperatur des Stapels 12 und des durch den Stapel 12 erzeugten Wasser-Nebenprodukts erwärmt und befeuchtet. Der frische Wasserstoff von der Quelle 16 ist trocken und weist eine kühlere Temperatur auf. Deshalb ist ein Anoden-Wärmeaustauscher 26 vorgesehen, um den frischen Wasserstoff von der AEE 18 zu erwärmen, bevor er mit dem rezirkulierten Anodenabgas gemischt wird, sodass, wenn das erwärmte rezirkulierte Anodenabgas mit dem frischen Wasserstoffgas gemischt wird, diese beinahe dieselbe Temperatur aufweisen. Dies ist hilfreich dabei, zu verhindern, dass der Wasserdampf in dem rezirkulierten Anodenabgas zu Wassertröpfchen kondensiert.
Ein Kühlfluid tritt in der Leitung 30 in den Stapel 12 ein und erwärmtes Kühlfluid tritt in der Leitung 32 aus dem Stapel 12 aus. Die Strömung des Kühlfluids hält die Betriebstemperatur des Stapels 12 bei einer gewünschten Temperatur. Eine Pumpe 34 pumpt das Kühlfluid durch eine Kühlschleife. Ein Isolier-Wärmeaustauscher 36 wie z. B. ein geeigneter Kühler verringert die Temperatur des Kühlfluids, das in der Leitung 32 aus dem Stapel 12 austritt, sodass, wenn es in der Leitung 30 zu dem Stapel 12 zurückgeschickt wird, seine Temperatur deutlich niedriger ist. Abhängig von den Betriebsbedingungen des Systems 10 wie z. B. einem Kaltstart kann es wünschenswert sein, den Wärmeaustauscher 36 zu umgehen, sodass die Temperatur des Stapels 12 aus Leistungsgründen schneller auf seine Betriebstemperatur ansteigt. Es kann daher eine Verzweigung 38 verwendet werden, um den Wärmeaustauscher 36 zu umgehen. Ein Umgebungsventil 40 empfängt das Kühlfluid direkt von dem Stapel 12 in der Leitung 42 und von dem Wärmeaustauscher 36 in der Leitung 44. Durch selektives Betätigen des Ventils 40 wird ein gewählter Anteil des Kühlfluids durch den Wärmeaustauscher 36 geleitet und der Wärmeaustauscher 36 durch die Verzweigung 38 umgangen.
Das Kühlfluid wird verwendet, um das frische Wasserstoffgas von der Quelle 16 in dem Wärmeaustauscher 26 zu erwärmen. Insbesondere wird das Kühlfluid, bevor es zu der Eingangsleitung 30 geleitet wird, zu diesem Zweck zuerst zu dem Wärmeaustauscher 26 geschickt. Da jedoch die Temperatur des Kühlfluids bereits durch den Wärmeaustauscher 36 verringert wurde, ist weniger Wärme in dem Kühlfluid verfügbar, um die Bildung von Wassertröpfchen aus dem Gemisch von dem Anoden-Rezirkulationsabgas und dem frischen Wasserstoffgas zu verhindern, wie oben erläutert.
2 ist eine schematische Draufsicht eines Brennstoffzellensystems 50 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei gleiche Elemente wie in dem Brennstoffzellensystem 10 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. In dieser Ausführungsform wird das rezirkulierte Anodenabgas in der Leitung 22 zu einem Anoden-Wärmeaustauscher 52 geschickt, sodass es ebenfalls mit dem frischen Wasserstoffgas von der Quelle 16 erwärmt wird. Dies erhöht die Temperatur des rezirkulierten Anodenabgases, sodass weniger Wassertröpfchen gebildet werden, die in den Stapel 12 eingebracht werden können.
Des Weiteren ist eine Umgehungsabzweigung 54 in der Kühlfluid-Ausgangsleitung 32 vorgesehen, um einen Anteil des erwärmten Kühlfluids direkt von dem Stapel 12 zu dem Wärmeaustauscher 52 zu leiten. In einer Ausführungsform weist das erwärmte Kühlfluid eine Stapel-Betriebstemperatur von z. B. 80°C auf. In einer Ausführungsform ist die Verzweigung 54 eine feste Verzweigung, an der dieselbe Menge des erwärmten Kühlfluids zu dem Wärmeaustauscher 36 oder dem Anoden-Wärmeaustauscher 52 geleitet wird. Eine Rückleitung 56 führt das Kühlfluid von dem Wärmeaustauscher 26 zu einer Verzweigung 58 ähnlich der Verzweigung 38, die es mit dem Kühlfluid kombiniert, das nicht zu dem Anoden-Wärmeaustauscher 52 geleitet wird. Das kombinierte Kühlfluid wird dann auf dieselbe Weise wie oben erläutert entweder zu dem Wärmeaustauscher 36 oder direkt zu dem Ventil 40 geschickt. Daher ist das an den Anoden-Wärmeaustauscher 52 gelieferte Kühlfluid das erwärmte Kühlfluid direkt von dem Stapel 12 und ist nicht das Kühlfluid, dessen Temperatur durch den Wärmeaustauscher 36 verringert wurde, wie in dem System 10. Somit befindet sich das Kühlfluid, anstatt dass das Kühlfluid die reduzierte Temperatur in dem Anoden-Wärmeaustauscher 52 aufweist, bei oder nahe bei der Stapel-Betriebstemperatur, sodass mehr Wärme verfügbar ist, um die Bildung von Wassertröpfchen zu reduzieren.
Die vorhergehende Erläuterung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird aus dieser Erläuterung und aus den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen ohne weiteres erkennen, dass dabei verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den nachfolgenden Ansprüchen definiert, abzuweichen.

Claims

Brennstoffzellensystem, das umfasst: einen Brennstoffzellenstapel; eine Anodeneingangsleitung; eine Wasserstoffquelle, die frisches Wasserstoffgas an die Anodeneingangsleitung liefert; eine Anoden-Rezirkulationsleitung zum Rezirkulieren von Anodenabgas von dem Stapel zu der Anodeneingangsleitung; einen Anoden-Wärmeaustauscher, der das rezirkulierte Anodenabgas und das frische Wasserstoffgas von der Quelle empfängt, um das rezirkulierte Anodenabgas und das frische Wasserstoffgas zu erwärmen; eine Kühlfluidleitung, die ein Kühlfluid durch den Stapel leitet, wobei erwärmtes Kühlfluid aus dem Stapel austritt und gekühltes Kühlfluid von der Kühlfluidleitung in den Stapel eintritt, wobei die Kühlfluidleitung zumindest einen Anteil des erwärmten Kühlfluids von dem Stapel zu dem Anoden-Wärmeaustauscher leitet, um das rezirkulierte Anodenabgas und das frische Wasserstoffgas zu erwärmen; und einen Isolier-Wärmeaustauscher, der den Anteil des Kühlfluids nach dem Anoden-Wärmeaustauscher empfängt, um das Kühlfluid zu kühlen.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Umgebungsventil, wobei das Umgebungsventil selektiv gesteuert ist, um zuzulassen, dass das erwärmte Kühlfluid von dem Stapel den Isolier-Wärmeaustauscher umgeht.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Verzweigung, die einen ausgewählten Anteil des erwärmten Kühlfluids von dem Stapel zu dem Anoden-Wärmeaustauscher und einen restlichen Anteil des erwärmten Kühlfluids zu dem Isolier-Wärmeaustauscher leitet.
System nach Anspruch 1, wobei sich das Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug befindet.
System nach Anspruch 1, wobei die Temperatur des erwärmten Kühlfluids etwa 80°C beträgt.
System nach Anspruch 1, wobei der Isolier-Wärmeaustauscher ein Kühler ist.
Brennstoffzellensystem, das umfasst: einen Brennstoffzellenstapel; eine Anodeneingangsleitung; eine Wasserstoffquelle, die frisches Wasserstoffgas an die Anodeneingangsleitung liefert; eine Anoden-Rezirkulationsleitung zum Rezirkulieren von Anodenabgas von dem Stapel zu der Anodeneingangsleitung; und einen Anoden-Wärmeaustauscher, der das rezirkulierte Wasserstoffgas und das frische Wasserstoffgas empfängt und das rezirkulierte Anodenabgas und das frische Wasserstoffgas erwärmt, bevor gemischtes Rezirkulations-Anodenabgas und das frische Wasserstoffgas in die Anodeneingangsleitung eintreten.
System nach Anspruch 7, ferner umfassend eine Kühlfluidleitung, um ein Kühlfluid durch den Stapel zu leiten, wobei das Kühlfluid durch den Anoden-Wärmeaustauscher geleitet wird, um das frische Wasserstoffgas und das rezirkulierte Anodenabgas zu erwärmen.
Brennstoffzellensystem, das umfasst: einen Brennstoffzellenstapel; eine Anodeneingangsleitung; eine Wasserstoffquelle, die frisches Wasserstoffgas an die Anodeneingangsleitung liefert; eine Anoden-Rezirkulationsleitung zum Rezirkulieren von Anodenabgas von dem Stapel zu der Anodeneingangsleitung; einen Anoden-Wärmeaustauscher, der das frische Wasserstoffgas von der Quelle empfängt, um das frische Wasserstoffgas zu erwärmen; eine Kühlfluidleitung, die ein Kühlfluid durch den Stapel leitet, wobei erwärmtes Kühlfluid aus dem Stapel austritt und gekühltes Kühlfluid von der Kühlfluidleitung in den Stapel eintritt, wobei die Kühlfluidleitung zumindest einen Anteil des erwärmten Kühlfluids von dem Stapel zu dem Anoden-Wärmeaustauscher leitet, um das frische Wasserstoffgas zu erwärmen; und einen Isolier-Wärmeaustauscher, der den Anteil des erwärmten Kühlfluids nach dem Anoden-Wärmeaustauscher empfängt, um das Kühlfluid zu kühlen.
System nach Anspruch 9, ferner umfassend ein Umgebungsventil, wobei das Umgebungsventil selektiv gesteuert ist, um zuzulassen, dass das erwärmte Kühlfluid von dem Stapel den Isolier-Wärmeaustauscher umgeht.
System nach Anspruch 9, ferner umfassend eine Verzweigung, wobei die Verzweigung einen ausgewählten Anteil des erwärmten Kühlfluids von dem Stapel zu dem Anoden-Wärmeaustauscher und einen restlichen Anteil des erwärmten Kühlfluids zu dem Isolier-Wärmeaustauscher leitet.
System nach Anspruch 9, wobei sich das Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug befindet.
System nach Anspruch 9, wobei die Temperatur des erwärmten Kühlfluids etwa 80°C beträgt.
Verfahren zum Reduzieren flüssiger Wassertröpfchen in einem Anodeneinlass zu einem Brennstoffzellenstapel, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: frisches Wasserstoffgas und rezirkuliertes Anodenabgas zu einem Anoden-Wärmeaustauscher geleitet werden, um das Wasserstoffgas und das rezirkulierte Anodenabgas zu erwärmen; und zumindest ein Anteil des erwärmten Kühlfluids direkt von dem Stapel zu dem Anoden-Wärmeaustauscher geleitet wird, um das Wasserstoffgas und das rezirkulierte Anodenabgas zu erwärmen.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend den Schritt, dass der Anteil des erwärmten Kühlfluids von dem Anoden-Wärmeaustauscher zu einem Isolier-Wärmeaustauscher geleitet wird, um das Kühlfluid zu kühlen.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend den Schritt, dass das erwärmte Kühlfluid von dem Stapel um den Isolier-Wärmeaustauscher herum umgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend den Schritt, dass ein ausgewählter Anteil des erwärmten Kühlfluids von dem Stapel zu dem Anoden-Wärmeaustauscher und ein restlicher Anteil des erwärmten Kühlfluids zu dem Isolier-Wärmeaustauscher geleitet werden.