DE112004000156B4

DE112004000156B4 - Brennstoffzellensystem zur Umwandlung von H2-Abgas von Brennstoffzellen und Verfahren

Info

Publication number: DE112004000156B4
Application number: DE112004000156.0T
Authority: DE
Inventors: Prem Menon; Norman J. Dill; Daryl Chapman
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-01-27
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2014-03-13
Anticipated expiration: 2024-01-27
Also published as: US7063905B2; WO2004068671A3; WO2004068671B1; WO2004068671A2; DE112004000156T5; US20040146758A1

Abstract

Brennstoffzellensystem (20) mit:
einer ersten Brennstoffzelle (22) mit einem ersten Anodeneinlass, der eine erste Anodenreaktandenströmung (34) aufnimmt, und einem ersten Kathodeneinlass, der eine erste Kathodenreaktandenströmung (36) aufnimmt, wobei die erste Brennstoffzelle (22) die ersten Anoden- und Kathodenreaktandenströmungen (34, 36) miteinander reagieren läßt, um Elektrizität, einen ersten Anodenabfluss (30), der von einem ersten Anodenauslass ausgetragen wird, und einen ersten Kathodenabfluss (32) zu erzeugen, der von einem ersten Kathodenauslass ausgetragen wird; und
einer zweiten Brennstoffzelle (48) mit einem zweiten Anodeneinlass, der eine zweite Anodenreaktandenströmung (42) aufnimmt, und einem zweiten Kathodeneinlass, der eine zweite Kathodenreaktandenströmung (44) aufnimmt, wobei die zweite Brennstoffzelle (40) die zweiten Anoden- und Kathodenreaktandenströmungen (42, 44) miteinander reagieren läßt, um Elektrizität, einen zweiten Anodenabfluss (62), der von einem zweiten Anodenauslass ausgetragen wird, und einen zweiten Kathodenabfluss (64) zu erzeugen, der von einem zweiten Kathodenauslass ausgetragen wird,
wobei die erste und zweite Brennstoffzelle (22, 40) von demselben Brennstoffzellentyp sind und der zweite Anodeneinlass mit dem ersten Anodenauslass unmittelbar sowie mit der ersten Anodenreaktandenströmung (34) mittelbar über ein Steuerventil in Fluidverbindung steht, so dass ein Anteil der zweiten Anodenreaktandenströmung (42), die in der zweiten Brennstoffzelle (40) aufgenommen wird, aus einem Anteil des ersten Anodenabflusses (30) gebildet wird, der von der ersten Brennstoffzelle (22) ausgetragen wird, und ein anderer Anteil der zweiten Anodenreaktandenströmung (42), die in der zweiten Brennstoffzelle (40) aufgenommen ...

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer ersten und einer zweiten Brennstoffzelle, wobei der Anodenabfluss der ersten Brennstoffzelle in Fluidverbindung mit dem Anodeneinlass der zweiten Brennstoffzelle steht.
Derartige Brennstoffzellensysteme sind beispielsweise bekannt aus: WO 02/41426 A1 , EP 0 263 052 B1 oder DE 100 54 050 A1 .
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
H₂-O₂-(Luft)-Brennstoffzellen sind in der Technik gut bekannt und sind für viele Anwendungen als eine Energie- bzw. Antriebsquelle vorgeschlagen worden. Es existieren verschiedene Typen von H₂-O₂-Brennstoffzellen, wie beispielsweise dem Säuretyp, alkalischen Typ, Schmelzcarbonattyp bzw. Molten-Carbonat-Typ und Festoxidtyp. Sogenannte PEM-Brennstoffzellen (Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen) [auch bekannt als SPE-(Festpolymerelektrolyt)-Brennstoffzellen] sind vom Säuretyp, besitzen potenziell eine hohe Leistung und ein niedriges Gewicht und sind demgemäß für mobile Anwendungen (beispielsweise Elektrofahrzeuge) geeignet. PEM-Brennstoffzellen sind in der Technik gut bekannt und umfassen eine ”Membranelektrodenanordnung” (auch bekannt als MEA) mit einem dünnen protonendurchlässigen Festpolymermembranelektrolyt, der auf einer seiner Seiten eine Anode und auf der entgegengesetzten Seite eine Kathode umfasst. Die MEA ist zwischen einem Paar elektrisch leitender Elemente schichtartig angeordnet, die (1) als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und (2) geeignete Kanäle und/oder Öffnungen darin umfassen, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren zu verteilen. Gewöhnlich wird eine Vielzahl einzelner Zellen miteinander gebündelt, um einen PEM-Brennstoffzellenstapel zu bilden.
Bei PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff der Anodenreaktand (d. h. Brennstoff), und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d. h. Oxidationsmittel). Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (d. h. O₂) oder als Luft (d. h. O₂ gemischt mit N₂) vorliegen. Die Festpolymerelektrolyte bestehen typischerweise aus Ionentauscherharzen, wie beispielsweise perfluorierter Sulfonsäure. Die Anode bzw. Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel (oftmals auf Kohlenstoffpartikeln getragen) gemischt mit einem protonenleitenden Harz.
Während der Umwandlung des Anodenreaktanden und Kathodenreaktanden in elektrische Energie, erzeugt die Brennstoffzelle ungeachtet des Typs Anoden- und Kathodenabflüsse, die von der Brennstoffzelle ausgetragen werden. Der Anodenabfluss umfasst typischerweise einen nicht verwendeten Wasserstoff, der eine nicht verwendete Energiequelle darstellt. Der Kathodenabfluss umfasst typischerweise überschüssigen Sauerstoff oder Luft, der während der Erzeugung von Elektrizität in der Brennstoffzelle nicht verbraucht wurde. Die Mengen an Wasserstoff und Sauerstoff, die in den Anoden- und Kathodenabflüssen verbleiben, sind von einer Anzahl von Faktoren abhängig und variieren. Beispielsweise kann der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle die Menge an Wasserstoff und Sauerstoff beeinflussen, die in den jeweiligen Anoden- und Kathodenabflüssen ausgetragen werden. Zusätzlich beeinflusst auch die Stöchiometrie des Brennstoffzellenstapels (d. h. die Mengen an Wasserstoff und Sauerstoff, die in den jeweiligen Anoden- und Kathodenreaktanden enthalten sind) die Menge an verbleibendem Wasserstoff und Sauerstoff in den jeweiligen Anoden- und Kathodenabflüssen.
Der Wasserstoff in dem Anodenabfluss repräsentiert eine Energiequelle, die in eine besser verwendbare Form umgewandelt werden kann. Typischerweise verwenden Brennstoffzellensysteme einen Abgasbrenner, um den Wasserstoff in dem Anodenabfluss in Wärme umzuwandeln, die in anderen Teilen des Brennstoffzellensystems verwendet werden kann. Jedoch stellt die Umwandlung des überschüssigen Wasserstoffes in Wärme nicht immer die effizienteste Verwendung der in dem Anodenabfluss enthaltenen Energie dar. Der Abgasbrenner erzeugt Emissionen, die eine zusätzliche Verarbeitung erfordern können, bevor die Emissionen an die Umgebung entlüftet werden können. Die von dem Brenner erzeugte Wärme ist nur bei bestimmten Aspekten des Betriebs des Brennstoffzellensystems erforderlich, wie beispielsweise beim Start, und wird anschließend eine Quelle für verlorene Energie in der Form von Wärme, die von dem Brennstoffzellensystem dissipiert werden muss. Der Abgasbrenner arbeitet bei hoher Temperatur. Die Verwendung eines Abgasbrenners erfordert auch zusätzliche Steuerungen und/oder Steuerschemata, die sich von den Steuerungen und/oder Steuerschemata zum Betrieb der Brennstoffzellen unterscheiden. Alle obigen Betrachtungen erhöhen die Komplexität eines Brennstoffzellensystems, das einen Abgasbrenner umfasst.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit zu schaffen, die es zulässt, die Energie in dem Anodenabfluss in eine besser verwendbare Form umzuwandeln, ohne dass die Erzeugung von überschüssiger Wärme, von Emissionen und/oder zusätzliche und/oder andere Steuerungen bzw. Steuerschemata erforderlich werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird mit Brennstoffzellensystemen gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 12 aufweisen.
Die vorliegende Erfindung beseitigt die Notwendigkeit des Abgasverbrennungsprozesses in einem Brennstoffzellensystem. Die Erfindung erlaubt, dass der überschüssige Wasserstoff in dem Anodenabfluss direkt in Elektrizität mit niedriger Spannung nur unter Zuhilfenahme minimaler Steuerungen und ohne überschüssige Verbrennungswärme oder Emissionen umgewandelt werden kann. Die erzeugte niedrige Spannung kann zum Laden der Batterie und/oder für einen anderen Zusatzenergiebedarf in dem Brennstoffzellensystem und/oder einer Vorrichtung, in der das Brennstoffzellensystem arbeitet, verwendet werden.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung ist im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben, in der:
1 eine schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist, das eine einzelne sekundäre Brennstoffzelle verwendet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 20 gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 20 besitzt eine primäre Brennstoffzelle 22, die einen Anodenreaktanden 24 und einen Kathodenreaktanden 26 in Elektrizität umwandelt, um eine primäre elektrische Last 28 zu betreiben. Die primäre elektrische Last 28 kann abhängig von der Anwendung, in der das Brennstoffzellensystem 20 verwendet wird, eine Vielzahl von Formen annehmen. Beispielsweise kann die primäre elektrische Last 28 ein oder mehrere Elektromotoren sein, die dazu verwendet werden, ein Fahrzeug anzutreiben, oder andere Vorrichtungen sein, die einen elektrischen Strom zum Betrieb erfordern. Der Prozess zum Umwandeln des Anodenreaktanden 24 und des Kathodenreaktanden 26 in Elektrizität erzeugt auch einen Anodenabfluss 30 und einen Kathodenabfluss 32, die von der primären Brennstoffzelle 22 ausgetragen werden. Der Anodenreaktand 24 ist eine Brennstoffquelle, die Wasserstoff (H₂) enthält, und der Kathodenreaktand 26 ist ein Oxidationsmittel, das Sauerstoff (O₂) enthält. Der Sauerstoff in dem Kathodenreaktand 26 kann in der Form von reinem O₂ oder in der Form von Luft (O₂ gemischt mit N₂) vorliegen. Der Anodenreaktand 24 liefert einen Anodenzufuhrstrom oder eine Anodenreaktandenströmung 34 an die primäre Brennstoffzelle 22, und der Kathodenreaktand 26 liefert einen Kathodenzufuhrstrom oder eine Kathodenreaktandenströmung 36 an die primäre Brennstoffzelle 22, die in Elektrizität umgewandelt werden. Die Kathodenreaktandenströmung 36 kann über einen optionalen Kompressor 38 geliefert werden. Der oben beschriebene Betrieb der primären Brennstoffzelle 22 ist in der Technik bekannt und wird deshalb nicht näher beschrieben.
Der H₂, der als der Anodenreaktand 24 geliefert wird, kann aus einer Vielzahl von Quellen stammen. Beispielsweise kann der H₂ aus einer Quelle für reinen H₂ stammen, wie beispielsweise flüssigem Wasserstoff von einem Speichertank, oder kann aus einer anderen Brennstoffquelle reformiert werden, wie beispielsweise Benzin, Methanol, Ethanol oder anderen Brennstoffquellen, wie es in der Technik bekannt ist.
Wie oben beschrieben wurde, werden, wenn die primäre Brennstoffzelle 22 die Anodenreaktandenströmung 34 und die Kathodenreaktandenströmung 36 verwendet, um Elektrizität zu erzeugen, auch ein Anodenabfluss 30 und ein Kathodenabfluss 32 von der primären Brennstoffzelle 22 erzeugt und ausgetragen. Aufgrund der Betriebsbedingungen und der Brennstoffzellenwirkungsgrade enthält der Anodenabfluss 30 typischerweise nicht verwendeten H₂, und der Kathodenabfluss 32 enthält nicht verwendeten O₂. Das Brennstoffzellensystem 20 der vorliegenden Erfindung verwendet den Anodenabfluss 30, um zusätzliche Elektrizität für das Brennstoffzellensystem 20 oder die Vorrichtung, in der das Brennstoffzellensystem 20 verwendet wird, zu erzeugen. Um dies zu erreichen, verwendet das Brennstoffzellensystem 20 eine sekundäre Brennstoffzelle 40, die ähnlich der primären Brennstoffzelle 22 eine Anodenreaktandenströmung und eine Kathodenreaktandenströmung aufnimmt und diese in Elektrizität umwandelt. Dies bedeutet, dass die sekundäre Brennstoffzelle 40 mit einem sekundären Anodenzufuhrstrom oder einer sekundären Anodenreaktandenströmung 42 und einem sekundären Kathodenzufuhrstrom oder einer sekundären Kathodenreaktandenströmung 44 beliefert wird, die die sekundäre Brennstoffzelle 40 in Elektrizität umwandelt, die dazu verwendet werden kann, um elektrischen Strom an eine sekundäre elektrische Last 46 oder eine Speichervorrichtung, wie beispielsweise eine Batterie, zu liefern. Die sekundäre Brennstoffzelle 40 verwendet den H₂-haltigen Anodenabfluss 30, der von der primären Brennstoffzelle 22 ausgetragen wird, als zumindest einen Anteil der sekundären Anodenreaktandenströmung 42, so dass der nicht verwendete H₂ in dem Anodenabfluss 30 in Elektrizität umgewandelt werden kann. Bevorzugt wird die gesamte sekundäre Anodenreaktandenströmung 42 durch den Anodenabfluss 30 vorgesehen.
Optional kann jedoch die sekundäre Anodenreaktandenströmung 42 durch die Anodenreaktandenströmung 34 ergänzt werden. Dies bedeutet, dass ein Anteil 48 der Anodenreaktandenströmung 34 an die sekundäre Brennstoffzelle 40 als ein Teil der sekundären Anodenreaktandenströmung 42 geführt werden kann. Bevorzugt steuert ein Steuerventil 50 den Anteil 48 der Anodenreaktandenströmung 34, der an die sekundäre Brennstoffzelle 40 geführt wird. Das Steuerventil 50 wird so betrieben, dass die Menge an H₂, die an die sekundäre Brennstoffzelle 40 von der Anodenreaktandenströmung 34 über den Anteil 48 geliefert wird, ausreichend niedrig ist, so dass die sekundäre Brennstoffzelle 40 den größten Teil, wenn nicht das gesamte H₂, das in der sekundären Anodenreaktandenströmung 42 enthalten ist, in Elektrizität umwandeln kann.
Optional, jedoch bevorzugt ist ein Steuerventil 52 zwischen der primären Brennstoffzelle 22 und der sekundären Brennstoffzelle 40 angeordnet, das die Menge an Anodenabfluss 30 steuert, die von der primären Brennstoffzelle 22 ausgetragen wird. Im Betrieb kann das Steuerventil 52 die Menge an Anodenabfluss 30 regulieren, die von der primären Brennstoffzelle 22 ausgetragen wird. Bei einer Betriebsart wird das Steuerventil 52 dazu verwendet, den Austrag von Anodenabfluss 30 von der primären Brennstoffzelle 22 zu verhindern. In dieser Betriebsart ist das Steuerventil 52 geschlossen, während die primäre Brennstoffzelle 22 die Reaktanden in der primären Brennstoffzelle 22 in Elektrizität umwandelt, und periodisch öffnet, um die primäre Brennstoffzelle 22 ”aufstoßen” zu lassen. Das Aufstoßen der primären Brennstoffzelle 22 wird ausgeführt, um die Verweilzeit der Anodenreaktandenströmung 34 zu steigern und den Wirkungsgrad der primären Brennstoffzelle 22 zu steigern, so dass der Anodenabfluss 30 eine minimale Menge an H₂ enthält.
Bevorzugt wird die sekundäre Brennstoffzelle 40 mit einer sekundären Kathodenreaktandenströmung 44 beliefert, die von der Umgebungsluft, in der das Brennstoffzellensystem 20 arbeitet, entnommen wird. Wenn die sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44 von der Umgebungsluft genommen wird, kann ein Gebläse (nicht gezeigt) und/oder eine andere Ausstattung erforderlich werden, um die Strömung der Umgebungsluft über die sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44 in die sekundäre Brennstoffzelle 40 anzutreiben. Ein Gebläse ist gegenüber der Verwendung eines Kompressors aufgrund des verringerten Energieverbrauchs in Verbindung mit dem Betrieb eines Gebläses bevorzugt. Optional dazu kann die sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44 mit einem Anteil 54 des Kathodenabflusses 32 ergänzt werden, der von der primären Brennstoffzelle 22 ausgetragen wird. Der Anteil 54 des Kathodenabflusses 32, der dazu verwendet wird, die sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44 zu ergänzen, kann entweder ein gesamter Anteil des Kathodenabflusses 32 oder ein kleinerer Anteil des Kathodenabflusses 32 sein. Wenn es gewünscht ist, weniger als den gesamten Anteil des Kathodenabflusses 32 vorzusehen, um die sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44 zu ergänzen, ist bevorzugt ein Steuerventil 56 zwischen dem Kathodenabfluss 32 und der sekundären Kathodenreaktandenströmung 44 angeordnet. Das Steuerventil 56 kann die Menge an Kathodenabfluss 32 regulieren, die dazu verwendet wird, die sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44 zu ergänzen.
Alternativ und/oder zusätzlich dazu kann die sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44 auch von der Kathodenreaktandenströmung 36 ergänzt werden, die über den Kompressor 38 geliefert wird. Dies bedeutet, dass ein Anteil 58 der Kathodenreaktandenströmung 36 über die sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44 an die sekundäre Brennstoffzelle 40 geführt werden kann. Wenn die sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44 durch den Anteil 58 der Kathodenreaktandenströmung 36 ergänzt wird, ist zwischen der Kathodenreaktandenströmung 36 und der sekundären Kathodenreaktandenströmung 44 ein Steuerventil 60 angeordnet. Das Steuerventil 60 steuert den Anteil 58 der Kathodenreaktandenströmung 36, der dazu verwendet wird, die sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44 zu ergänzen. Optional dazu kann die sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44 vollständig durch den Anteil 54 des Kathodenabflusses 32 und/oder den Anteil 58 der Kathodenreaktandenströmung 36 vorgesehen werden. Ein Ventil 61 kann an dem Umgebungslufteinlass zu der sekundären Brennstoffzelle 40 vorgesehen sein. Das Ventil 61 kann geschlossen werden, um zu verhindern, dass ein Anteil 54 des Kathodenabflusses 32 und/oder ein Anteil 58 der Kathodenreaktandenströmung 36 von dem Brennstoffzellensystem 20 über den Lufteinlass ausgetragen wird, wenn die sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44 durch den Anteil 54 des Kathodenabflusses 32 und/oder den Anteil 58 der Kathodenreaktandenströmung 36 ergänzt wird. Das Ventil 61 kann geöffnet werden, um zu ermöglichen, dass die sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44 von der Umgebungsluft, in der das Brennstoffzellensystem 20 verwendet wird, entnommen wird. Daher kann die sekundäre Brennstoffzelle 40 mit einer sekundären Kathodenreaktandenströmung 44 beliefert werden, die aus Umgebungsluft und/oder dem Anteil 54 des Kathodenabflusses 32 und/oder dem Anteil 58 der Kathodenreaktandenströmung 36 besteht.
Wie oben beschrieben wurde, verwendet die sekundäre Brennstoffzelle 40 die sekundäre Anodenreaktandenströmung 42 und die sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44, um Elektrizität zu erzeugen und die sekundäre elektrische Last 46 zu betreiben. Die Erzeugung von Elektrizität in der sekundären Brennstoffzelle 40 resultiert in der Erzeugung eines sekundären Anodenabflusses 62 und eines sekundären Kathodenabflusses 64, die von der sekundären Brennstoffzelle 40 ausgetragen werden. Die sekundären Anoden- und Kathodenabflüsse 62, 64 werden in die Umgebung, in der das Brennstoffzellensystem 20 arbeitet, ausgetragen. Die sekundäre Brennstoffzelle 40 ist so bemessen und/oder wird so betrieben, dass der gesamte H₂, der in der sekundären Anodenreaktandenströmung 42 enthalten ist, während der Erzeugung von Elektrizität in der sekundären Brennstoffzelle 40 verbraucht wird, so dass der sekundäre Anodenabfluss 62 im Wesentlichen frei von H₂ ist. Das Brennstoffzellensystem 20 verbraucht dadurch einen Großteil oder den gesamten H₂, der durch die Anodenreaktandenströmung 34 geliefert wird, und hat dadurch ein Brennstoffzellensystem 20 zur Folge, dass wenig oder gar keinen nicht verwendeten H₂ austrägt. Aufgrund dessen verwendet das Brennstoffzellensystem 20 keinen Abgasbrenner, um Energie von dem H₂ zu entnehmen, der von herkömmlichen Brennstoffzellensystemen 20 ausgetragen wird. Bevorzugt gelangt der sekundäre Anodenabfluss 62, der von der sekundären Brennstoffzelle 40 ausgetragen wird, durch ein Rückschlagventil 65, bevor er an die Umgebung ausgetragen wird. Das Rückschlagventil 65 verhindert einen Rückfluss in die Anodenabschnitte der sekundären Brennstoffzelle 40 und der primären Brennstoffzelle 22, wodurch eine Kontamination der sekundären Brennstoffzelle 40 und der primären Brennstoffzelle 22 verhindert wird.
Bevorzugt ist die primäre Brennstoffzelle 22 eine PEM-Brennstoffzelle. Jedoch sei angemerkt, dass die primäre Brennstoffzelle 22 ein beliebiger Typ von Brennstoffzelle sein kann, der H₂ als einen Reaktanden und O₂ (oder Luft) als ein Oxidationsmittel verwendet, um Elektrizität zu erzeugen, und dennoch innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt. Erfindungsgemäß ist die sekundäre Brennstoffzelle 40 derselbe Typ von Brennstoffzelle wie die primäre Brennstoffzelle 22. Erfindungsgemäß ist die sekundäre Brennstoffzelle 40 so bemessen, dass sie eine Brennstoffzelle mit niedrigerer Leistung als die primäre Brennstoffzelle 22 ist. Ferner kann die sekundäre Brennstoffzelle 40 auch so bemessen sein, dass sie anders als die primäre Brennstoffzelle 22 arbeitet. Beispielsweise kann die sekundäre Brennstoffzelle 40 andere Druckanforderungen, Temperaturanforderungen, Kühlanforderungen, Wirkungsgrade, etc. besitzen.
Ungeachtet des Typs oder der Größe der primären oder sekundären Brennstoffzellen 22, 40 ist das Brennstoffzellensystem 20 so ausgebildet, dass der sekundäre Anodenabfluss 62, der von der sekundären Brennstoffzelle 40 ausgetragen wird, im Wesentlichen frei von H₂ ist, so dass das Brennstoffzellensystem 20 effizienter ist und sehr wenig oder gar kein H₂, das durch die Anodenreaktandenströmung 34 geliefert wird, an die Umgebung ausgetragen wird. Die Größe der primären Brennstoffzelle 22 und der sekundären Brennstoffzelle 40 ist abhängig von der Anwendung, in der das Brennstoffzellensystem 20 verwendet wird. Dies bedeutet, dass die primäre Brennstoffzelle 22 so bemessen ist, dass sie die primäre elektrische Last 28 mit ausreichender Elektrizität versorgt, damit diese innerhalb der Konstruktionsparameter arbeiten kann, und die sekundäre Brennstoffzelle 40 so bemessen ist, dass sie einen sekundären Anodenabfluss 62 liefert, der im Wesentlichen H₂-frei ist. Da es bevorzugt ist, dass die sekundäre Brennstoffzelle 40 eine Brennstoffzelle mit niedrigerer Leistung als die primäre Brennstoffzelle 22 ist, ist davon auszugehen, dass die sekundäre Brennstoffzelle 40 dazu verwendet wird, Elektrizität an eine sekundäre elektrische Last 46 zu liefern, die eine Zusatzkomponente für das Brennstoffzellensystem 20 und/oder die Vorrichtung ist, innerhalb der die Brennstoffzelle 20 arbeitet, und die weniger Leistung von der sekundären Brennstoffzelle 40 erfordert. Beispielsweise kann die sekundäre elektrische Last 46 eine Batterie sein, die in der Vorrichtung enthalten ist, in der das Brennstoffzellensystem 20 verwendet wird, und die sekundäre Brennstoffzelle 40 wird dazu verwendet, die Batterie aufzuladen. Es sei jedoch angemerkt, dass die primären und sekundären elektrischen Lasten 28, 46 abhängig von der Anwendung, in der das Brennstoffzellensystem 20 verwendet wird, variieren, und dass die primären und sekundären elektrischen Lasten 28, 46 eine Vielzahl von Formen annehmen können und immer noch innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
Das Brennstoffzellensystem 20, das in 1 gezeigt ist, verwendete eine sekundäre Brennstoffzelle 40. Optional dazu kann das Brennstoffzellensystem 20 mehrere sekundäre Brennstoffzellen 40 verwenden. Die Vielzahl sekundärer Brennstoffzellen 40 kann in einer parallelen Konfiguration, in einer seriellen Konfiguration oder in einer Kombination aus paralleler und serieller Konfiguration angeordnet sein. In einer derartigen Anordnung wird jede der Vielzahl sekundärer Brennstoffzellen 40 als eine Quelle für Elektrizität für eine Vielzahl sekundärerer elektrischer Lasten 46 verwendet und ist so ausgebildet, um im Wesentlichen den gesamten H₂ zu verbrauchen, der durch die Anodenreaktandenströmung 34 an das Brennstoffzellensystem 20 geliefert wird. Wenn eine Vielzahl sekundärer Brennstoffzellen 40 verwendet wird, kann eine ähnliche Ausstattung und Anordnung erforderlich sein.
Wenn eine parallele Ausgestaltung verwendet wird, sind die Vielzahl sekundärer Brennstoffzellen 40 unterstromig der primären Brennstoffzelle 22 und parallel zueinander angeordnet, so dass die sekundären Brennstoffzellen 40 den Anodenabfluss 30 aufteilen, der von der primären Brennstoffzelle 22 zur Verwendung als eine Anodenreaktandenströmung an jede der sekundären Brennstoffzellen 40 ausgetragen wird. Genauer wird der Anodenabfluss 30, der von der primären Brennstoffzelle 22 ausgetragen wird, an alle sekundären Brennstoffzellen 40 geführt, so dass jede der sekundären Brennstoffzellen 40 andere Anteile des Anodenabflusses 30 als eine Anodenreaktandenströmung zur Erzeugung von Elektrizität verwendet.
Wenn eine serielle Konfiguration verwendet wird, sind die sekundären Brennstoffzellen 40 unterstromig der primären Brennstoffzelle 22 angeordnet, wobei jede der sekundären Brennstoffzellen 40 in einer seriellen Konfiguration angeordnet ist und wobei der Anodenabfluss, der von einer vorangehenden oberstromigen sekundären Brennstoffzelle 40 ausgetragen wird, als eine Anodenreaktandenströmung für eine nachfolgende unterstromige sekundäre Brennstoffzelle 40 verwendet wird. Jede der Vielzahl sekundärer Brennstoffzellen 40 nimmt auch eine Kathodenreaktandenströmung auf.
Die Vielzahl sekundärer Brennstoffzellen 40 können alle vom selben Typ von Brennstoffzelle sein oder können unterschiedliche Brennstoffzellentypen umfassen bzw. sein, die H₂ als einen Anodenreaktand und O₂ (oder Luft) als einen Kathodenreaktand verwenden. Bevorzugt sind die Vielzahl sekundärer Brennstoffzellen 40 Brennstoffzellen mit niedrigerer Leistung, als die primäre Brennstoffzelle 22.
Anhand von 1 wird nun der Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 der vorliegenden Erfindung erläutert. Die primäre Brennstoffzelle 22 wird mit einer Anodenreaktandenströmung 34 von dem Anodenreaktand 24 und auch mit einer Kathodenreaktandenströmung 36 von dem Kathodenreaktand 26 über den optionalen Kompressor 38 beliefert. Die primäre Brennstoffzelle 22 wandelt dann die Anoden- und Kathodenreaktandenströmungen 34, 36 in Elektrizität um, um die primäre elektrische Last 28 zu erfüllen. Die Produktion von Elektrizität innerhalb der primären Brennstoffzelle 22 erzeugt Anoden- und Kathodenabflüsse 30, 32. Der Anodenabfluss 30 wird an die sekundäre Brennstoffzelle 40 geführt, an der er als eine sekundäre Anodenreaktandenströmung 42 verwendet wird. Das Führen des Anodenabflusses 30 von der primären Brennstoffzelle 22 an die sekundäre Brennstoffzelle 40 wird durch das Steuerventil 52 gesteuert, das dazu verwendet werden kann, die primäre Brennstoffzelle 22 ”aufstoßen” zu lassen. Optional dazu kann die sekundäre Anodenreaktandenströmung 42 durch Leiten eines Anteils 48 der Anodenreaktandenströmung 34 direkt an die sekundäre Brennstoffzelle 40 ergänzt werden, um sich mit dem Anodenabfluss 30 zu mischen, der von der primären Brennstoffzelle 22 ausgetragen wird, und damit die sekundäre Anodenreaktandenströmung 42 zu bilden. Das Ergänzen der sekundären Anodenreaktandenströmung 42 mit einem Anteil 48 der Anodenreaktandenströmung 34 wird durch das Steuerventil 50 gesteuert. Typischerweise wird die sekundäre Anodenreaktandenströmung 42 nicht mit dem Anteil 48 der Anodenreaktandenströmung 34 ergänzt.
Der Kathodenabfluss 32, der durch die primäre Brennstoffzelle 22 erzeugt wird, wird bevorzugt an die Umgebung ausgetragen, und die sekundäre Brennstoffzelle 40 verwendet eine sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44, die Luft darstellt, die von der Umgebung, in der das Brennstoffzellensystem 20 verwendet wird, entnommen wird. Es kann jedoch erwünscht sein, die Luft, die die sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44 umfasst, mit dem Kathodenabfluss 32 und/oder der Kathodenreaktandenströmung 36 zu ergänzen und/oder zu ersetzen. Daher kann der von der primären Brennstoffzelle 22 ausgetragene Kathodenabfluss 32 über das Steuerventil 56 an den Kathodeneinlass der sekundären Brennstoffzelle 40 geführt werden, um als ein Teil oder die gesamte sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44 zu dienen. Auch kann ein Anteil 58 der Kathodenreaktandenströmung 36 an den Kathodeneinlass der sekundären Brennstoffzelle 40 über ein Steuerventil 60 geführt werden, um einen Teil oder die gesamte sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44 zu bilden. Die sekundäre Brennstoffzelle 40 verwendet dann die sekundäre Anodenreaktandenströmung 42 und die sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44, um Elektrizität zu erzeugen. Die Erzeugung von Elektrizität in der sekundären Brennstoffzelle 40 erzeugt sekundäre Anoden- und Kathodenabflüsse 62, 64, die an die Umgebung ausgetragen werden können. Der sekundäre Anodenabfluss 62 wird durch ein Rückschlagventil 65 geführt, um eine Rückflusskontamination der sekundären Brennstoffzelle 40 und der primären Brennstoffzelle 22 zu verhindern.
Die sekundäre Brennstoffzelle 40 ist derart ausgebildet, dass es möglich wird, dass die sekundäre Brennstoffzelle 40 den größten Teil oder den gesamten H₂ verbraucht, der in der sekundären Anodenreaktandenströmung 42 enthalten ist, so dass der sekundäre Anodenabfluss 62, der durch die sekundäre Brennstoffzelle 40 ausgetragen wird, im Wesentlichen frei von H₂ ist. Das Brennstoffzellensystem 20 sieht daher ein Mittel zur Verwendung des größten Teils oder des gesamten H₂ vor, der durch die primäre Brennstoffzelle 22 in dem Anodenabfluss 30 ausgetragen wird, um Nutzenergie in der Form von Elektrizität zu erzeugen.
Das oben beschriebene Brennstoffzellensystem 20, das gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, sieht ein Brennstoffzellensystem 20 vor, das die primäre elektrische Last 28 erfüllen kann, während ein sekundärer Anodenabfluss 62 erzeugt wird, der sehr wenig oder keinen nicht verwendeten H₂ enthält.

Claims

Brennstoffzellensystem (20) mit: einer ersten Brennstoffzelle (22) mit einem ersten Anodeneinlass, der eine erste Anodenreaktandenströmung (34) aufnimmt, und einem ersten Kathodeneinlass, der eine erste Kathodenreaktandenströmung (36) aufnimmt, wobei die erste Brennstoffzelle (22) die ersten Anoden- und Kathodenreaktandenströmungen (34, 36) miteinander reagieren läßt, um Elektrizität, einen ersten Anodenabfluss (30), der von einem ersten Anodenauslass ausgetragen wird, und einen ersten Kathodenabfluss (32) zu erzeugen, der von einem ersten Kathodenauslass ausgetragen wird; und einer zweiten Brennstoffzelle (48) mit einem zweiten Anodeneinlass, der eine zweite Anodenreaktandenströmung (42) aufnimmt, und einem zweiten Kathodeneinlass, der eine zweite Kathodenreaktandenströmung (44) aufnimmt, wobei die zweite Brennstoffzelle (40) die zweiten Anoden- und Kathodenreaktandenströmungen (42, 44) miteinander reagieren läßt, um Elektrizität, einen zweiten Anodenabfluss (62), der von einem zweiten Anodenauslass ausgetragen wird, und einen zweiten Kathodenabfluss (64) zu erzeugen, der von einem zweiten Kathodenauslass ausgetragen wird, wobei die erste und zweite Brennstoffzelle (22, 40) von demselben Brennstoffzellentyp sind und der zweite Anodeneinlass mit dem ersten Anodenauslass unmittelbar sowie mit der ersten Anodenreaktandenströmung (34) mittelbar über ein Steuerventil in Fluidverbindung steht, so dass ein Anteil der zweiten Anodenreaktandenströmung (42), die in der zweiten Brennstoffzelle (40) aufgenommen wird, aus einem Anteil des ersten Anodenabflusses (30) gebildet wird, der von der ersten Brennstoffzelle (22) ausgetragen wird, und ein anderer Anteil der zweiten Anodenreaktandenströmung (42), die in der zweiten Brennstoffzelle (40) aufgenommen wird, aus einem Anteil der ersten Anodenreaktandenströmung (34) gebildet wird, wobei die zweite Brennstoffzelle (40) eine Brennstoffzelle mit einer Leistung ist, die niedriger als die der ersten Brennstoffzelle (22) ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einem Steuerventil (52), das zwischen dem ersten Anodenauslass und dem zweiten Anodeneinlass angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei das Steuerventil (52) selektiv zwischen offenen und geschlossenen Stellungen betätigbar ist, so dass der erste Anodenabfluss selektiv von der ersten Brennstoffzelle (22) ausgetragen werden kann.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei das Steuerventil (52) selektiv zwischen einer vollständig geschlossenen Stellung und einer vollständig offenen Stellung einstellbar ist, um den Anteil des ersten Anodenabflusses zu regeln, der den Teil der zweiten Anodenreaktandenströmung (42) bildet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einem Rückschlagventil (65) in Fluidverbindung mit dem zweiten Anodenauslass, das unterstromig von der zweiten Brennstoffzelle (40) angeordnet ist, wobei der zweite Anodenabfluss (62) durch dieses strömt, und wobei das Rückschlagventil (65) eine Rückflusskontamination der ersten und zweiten Brennstoffzelle (40) verhindert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die zweite Anodenreaktandenströmung (42) aus dem ersten Anodenabfluss besteht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die zweite Anodenreaktandenströmung (42) einen vollständigen Anteil des ersten Anodenabflusses umfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die erste Brennstoffzelle (22) eine PEM-Brennstoffzelle ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der erste Kathodenauslass in Fluidverbindung mit dem zweiten Kathodeneinlass steht, so dass ein Anteil der zweiten Kathodenreaktandenströmung (44), der in der zweiten Brennstoffzelle (40) aufgenommen wird, aus einem Anteil des ersten Kathodenabflusses (32), der von der ersten Brennstoffzelle (22) ausgetragen wird, gebildet wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Kathodenreaktandenströmungen (36, 44) von einer gemeinsamen Kathodenreaktandenströmung abstammen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die zweite Kathodenreaktandenströmung (44) Umgebungsluft ist.
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (20), wobei das Verfahren umfasst, dass: (a) eine primäre elektrische Last (28) mit einer ersten Brennstoffzelle (22) betrieben wird, indem ein erster Anodenreaktandenstrom (34) und ein erster Kathodenreaktandenstrom (36) an die erste Brennstoffzelle (22) geliefert werden, wobei die erste Brennstoffzelle (22) dazu dient, eine erste Spannung zu erzeugen; (b) Anodenabfluss (30) von der ersten Brennstoffzelle (22) an eine zweite Brennstoffzelle (40) geführt wird, die dazu dient, eine zweite Spannung zu erzeugen, die kleiner als die erste Spannung ist; und (c) eine sekundäre elektrische Last (46) mit der zweiten Brennstoffzelle (40) betrieben wird, wobei die sekundäre elektrische Last (46) geringer als die primäre elektrische Last ist; dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Anodenabfluss (30) von der ersten Brennstoffzelle (22) ein Anteil (48) des ersten Anodenreaktandenstroms (34) an der ersten Brennstoffzelle (22) vorbei an die zweite Brennstoffzelle (40) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei (c) umfasst, dass ein zweiter Kathodenreaktandenstrom (58) an die zweite Brennstoffzelle (40) geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend, dass Anodenabfluss (62), der von der zweiten Brennstoffzelle (40) erzeugt wird, an die Umgebung entlüftet wird.