DE112005003309T5

DE112005003309T5 - Verdampfungskühlung von Reaktantengas und betriebsmäßiger Gefrierschutz für Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE112005003309T5
Application number: DE112005003309T
Authority: DE
Inventors: Carl A. Stonington Reiser; Jeremy P. Austin Meyers; David D. Champagne Johnson; Craig E. Portland Evans; Robert M. South Windsor Darling; Tommy East Hartford Skiba; Ryan J. Oakland Balliet
Original assignee: UTC Power Corp
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2004-12-29
Filing date: 2005-12-15
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2025-12-16
Also published as: WO2006071580A2; KR20070097467A; KR101246531B1; WO2006071580A3; DE112005003309B4; US20080038610A1

Abstract

Brennstoffzellenstromerzeuger, aufweisend:
einen Stapel (37, 120) von Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle eine Elektrodenanordnung (72), die einen Elektrolyten mit einem Kathoden- und
einem Anodenkatalysator aufweist, die an dessen entgegengesetzten Seiten angeordnet sind, eine Brennstoffreaktantengasströmungsfeldplatte (75) mit Brennstoffreaktantengasströmungskanälen (74), die sich von einer ersten Oberfläche davon erstrecken, eine Oxidationsmittelreaktantengasströmungsfeldplatte (81) mit Oxidationsmittelreaktantengasströmungskanälen (82), die sich von einer ersten Oberfläche davon erstrecken, wobei mindestens eine der Strömungsfeldplatten porös und hydrophil ist, und eine Wasserpassage (67; 78, 85; 78a, 85a), die an einer oder in der Nähe einer zweiten Oberfläche der mindestens einen Strömungsfeldplatte angeordnet ist, die deren ersten Oberfläche entgegengesetzt ist, aufweist;
dadurch gekennzeichnet, dass:
die Wasserpassagen entweder (a) in der entsprechenden Brennstoffzelle in einer ,Sackgasse enden' oder (b) nach außen geöffnet (69, 89, 99, 145) sind, wobei die Wasserpassage aus entweder (c) mindestens einer Fluidleitung (78, 85) in der mindestens einen Platte oder (d) einem Material (78a,...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen mit Wasserpassagen, die Wasser an Reaktantengasströmungspassagen liefern, wobei das Wasser im Verhältnis zu der in den Zellen erzeugten Abwärme verdampft wird; das aus dem abgelassenen Reaktantengas kondensierte Wasser wird an die Wasserpassagen zurückgegeben, die in eine ,Sackgasse' führen oder nach außen hin geöffnet sein können und Kondensat von einem Kondensator aufnehmen, der Wasser aus der Luft entfernt, die aus den Zellen austritt.
HINTERGRUND DER TECHNIK
Es ist in der Brennstoffzellentechnik bekannt, dass Brennstoffzellen verdampfungsgekühlt werden, wobei im Gegensatz zu dem Übertragen von fühlbarer Wärme auf zirkulierendes Wasser, das durch die Zellen gelangt, oder Kühlmittel, das durch Kühlmittelplatten gelangt, der Nutzen der Verdampfungswärme gezogen wird. Frühere Herangehensweisen für Verdampfungskühlung hatten typischerweise eine von zwei Formen. In einer ersten Form wird Wasser in großem Ausmaß in die Gasströmung eines oder beider der Reaktantengase atomisiert oder zerstäubt.
Die andere Form von früheren Ansätzen nutzt den Dochteffekt, um Wasser in die Zellen zu bringen. Ein neuestes Beispiel ist in der US-Veröffentlichung 2004/0170878 gezeigt, die hierin in 1 kurz veranschaulicht ist. Eine Brennstoffzelle 11 hat Dochtstreifen 12, die über einer Diffusionsschicht 13 angeordnet sind, die in engem Kontakt mit dem Kathodenkatalysator in der Membranelektrodenanordnung (MEA) 14 ist. Die Brennstoffzelle 11 weist eine Anode 18 auf, die in besagter Veröffentlichung nicht an dem Kühlprozess beteiligt ist. Die Brennstoffzelle ist durch eine Trennplatte 21 von der nächsten Zelle in der Reihe 20 getrennt. Eine ähnliche Trennplatte ist, wenn auch nicht gezeigt, an der Oberseite der in 1 zu sehenden Brennstoffzelle vorhanden.
Um der Dochtstruktur 12 Wasser zu liefern, erstreckt sich ein Kopfbauteil 22 für die Dochtstruktur über die Enden aller Brennstoffzellen an ihrem einen Ende, das der Strömung von Luft in die Räume 24 zwischen der Dochtstruktur 12, die das Oxidationsmittelreaktantengasströmungsfeld aufweisen, gegenüberliegt. Luft wird den Einlässen 28 jeder Brennstoffzelle von einer Pumpe 26 durch ein Verzweigungssystem 27 zugeführt.
In 1 wird die Luftströmung durch ein Auslass-Kopfbauteil 31 zu einem Kondensator 32 abgelassen, der die Luft nach außen leitet, um sie abzulassen, und das Kondensat an einen Speicherbehälter 33 liefert. Wasser in dem Speicherbehälter 33 wird zu dem Kopfbauteil 22 für die Dochtstruktur geführt.
Die in der oben erwähnten Veröffentlichung beschriebene Verdampfungskühlung mit Dochteffekt ist so dargelegt, dass sie externes Wasser von einer Quelle außerhalb des Brennstoffzellenstromerzeugers erfordert, da das an der Kathode (Prozesswasser) erzeugte Wasser, außer beim Einschalten, nicht ausreichend sein soll, um die notwendige Kühlung zu erreichen. Dies trifft auch auf einen auf dem Dochteffekt beruhenden verdampfungsgekühlten Brennstoffzellenstapel in dem US-Patent 4 826 741 zu. Darin haben Zellen mit 100 cm² eine Leistungsfähigkeit von nur 0,7–0,8 V bei 100–120 mA/cm² (108–130 A/ft²). Ferner muss das Kapillardruckdifferential entlang der Länge von jedem Docht größer sein als der Druckabfall entlang der benachbarten Luftströmungsfeldkanäle, damit dort eine positive Dochtaktivitätsgeschwindigkeit vorhanden ist, obwohl dargelegt ist, dass eine Luftströmung in die gleiche Richtung wie die Strömung des Wassers in der Dochteinrichtung dieses Problem überwinden würde.
Folglich erfordern auf dem Dochteffekt beruhende verdampfungsgekühlte Brennstoffzellen externes Wasser, haben eine begrenzte Flächenformgröße und ist ihre Leistungsfähigkeit durch eine geringe Stromdichte beschränkt.
Um genug Wasser für die notwendige Verdampfungskühlung von dem Kopf bauteil 22 für die Dochtstruktur, sich am Umfang der Zellen befindet, zu allen Bereichen der Zellen, die eine Kühlung erfordern, zu transportieren, ist die erforderliche Dochtstruktur beträchtlich und bewirkt, dass jede Brennstoffzelle dicker ist als innerhalb des beschränkten Volumens, das für den Gebrauch in Fahrzeuganwendungen gefordert wird, akzeptabel ist.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Aspekte der Erfindung weisen auf: Brennstoffzellen, die dünner sind als im Stand der Technik bekannte Brennstoffzellen; den Gebrauch von Verdampfungskühlung in Brennstoffzellen, in denen die Wasserzufuhr zu den Brennstoffzellen unabhängig von dem Druck in der Luftzufuhr steuerbar ist; Verdampfungskühlung von Brennstoffzellen, in denen die Wasserzufuhr zu den Zellen von der Reaktantengaszufuhr zu der Membranelektrodenanordnung der Brennstoffzellen unabhängig ist; verdampfungsgekühlte Brennstoffzellen, die dazu fähig sind, eine Flächenform mit einer großen Fläche zu haben, und dazu fähig sind, mit hohen Stromdichten zu arbeiten; verdampfungsgekühlte Brennstoffzellen, die gegenüber dem Einfrieren von Komponenten unter keiner Last oder unter geringer Last bei Wetterbedingungen unter dem Gefrierpunkt widerstandsfähig sind; und verbesserte Brennstoffzellen für Fahrzeuganwendungen und andere Anwendungen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstromerzeuger von Wasser verdampfungsgekühlt, das in winzigen Passagen zugeführt wird, die ein Material mit einer Wasserdurchlässigkeit in gleicher Ebene (das heißt, parallel zu der Gasströmung) aufweisen können und die in einer ersten Oberfläche der hydrophilen porösen Reaktantengasströmungsfeldplatten mit Reaktantengasströmungskanälen, die sich an gegenüberliegenden Oberflächen der Strömungsfeldplatte öffnen, sind oder ihr benachbart sind. Jede winzige Passage ist in Fluidverbindung mit einem Wasserspeicherbehälter, der Kondensat von dem Kathodenablass aufnehmen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Wasserzufuhr zu den winzigen Passagen mittels einer Vakuumpumpe weiter verbessert werden. Die Pumpe schafft einfach einen richtigen Druck in den Bereichen der Passagen des Stapels, um sicherzustellen, dass der Wasserpegel alle Teile der Passagen in dem Stapel erreicht. In manchen Ausführungsformen kann Wasser durch die Passagen strömen, um das Entfernen von Blasen zu verbessern und/oder um eine Strömung durch ein Wasserreinigungssystem, wie z.B. einen Deionisierer, zu schaffen. Jedoch kann die Erfindung auch mit den ,Sackgassen'-Wasserpassagen ausgeführt werden.
Gemäß einer anderen optionalen Ausführungsform der Erfindung kann ein Brennstoffzellenstapel, der eine Verdampfungskühlung nutzt, bei der der Oberfläche von hydrophilen porösen Reaktantengaskanalplatten Wasser zugeführt wird, mit einer festgelegten Luftströmung betrieben werden, im Gegensatz zu einer festgelegten Luftnutzung, wobei die Luftströmung ausreicht, um die Maximalstapeltemperatur bei mäßig hohen Stromdichten zu steuern. Ferner kann gemäß dieser optionalen Ausführungsform der Erfindung die Luftströmungsrate in Abhängigkeit von der Temperatur in den Brennstoffzellen in Stufen gesteuert werden.
In der Erfindung passiert Wasser von den oben erwähnten winzigen Passagen oder dem durchlässigen Material durch die Strömungsfeldplatte rechtwinklig zu deren Ebene, im Gegensatz zu der Dochtstruktur des Standes der Technik, die Wasser parallel zu der Ebene der Brennstoffzellen führt. Deshalb läuft das Wasser von den winzigen Passagen oder dem durchlässigen Material nur eine sehr kurze Entfernung, normalerweise weniger als 0,5 mm, durch poröses Material zu der Oberfläche der Reaktantenkanäle, wo es verdampft.
Die Erfindung erlaubt das Verwalten des Wassers für Verdampfungskühlung getrennt von dem Druckabfall über dem Reaktantengasströmungspfad, in dem das Wasser wandert. Die Erfindung erlaubt es, dass einzelne Brennstoffzellen dünner sind als die im Stand der Technik bekannten mit einer vergleichbaren Leistungsfähigkeit.
Der Kondensator kann ungesteuerte Umgebungsluft verwenden, um den Kathodenablass zu kühlen, oder die Luftmenge kann möglicherweise in Relation zu der Luftablasstemperatur von dem Stapel gesteuert werden; in anderen Ausführungsformen kann das Kathodenabgas durch einen Wärmeaustausch mit einem anderen Fluid, wie z.B. einer Flüssigkeit, die in der erwarteten Betriebsumgebung frostbeständig ist, gekühlt werden, wobei die Menge an durch den Wärmetauscher gelangender Flüssigkeit steuerbar ist.
Andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden angesichts der folgenden detaillierten Beschreibung ihrer beispielhaften Ausführungsformen ersichtlicher, wie in der begleitenden Zeichnung veranschaulicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Teildarstellung einer verdampfungsgekühlten Brennstoffzelle, die den im Stand der Technik bekannten Dochteffekt verwendet.
2 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstromerzeugers, der die vorliegende Erfindung verwendet.
3 ist eine geschnittene Teilseitenansicht eines Paars Brennstoffzellen, die die vorliegende Erfindung verwenden, wobei die Teilungslinien der Klarheit halber weggelassen sind.
4 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung mit einer Ablassöffnung.
5 ist eine Teildarstellung einer Ausführungsform des Brennstoffzellenstromerzeugers 36 aus 2, in der das Luftauslassverzweigungssystem einen Kondensator aufweist, der angrenzend an die Oberseite des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.
6 stellt das Steuern der Luftströmung als Funktion der Temperatur dar.
7 ist eine geschnittene Teilseitenansicht eines Paars Brennstoffzellen, die eine wasserdurchlässige Ebene bei der vorliegenden Erfindung verwenden, wobei die Teilungslinien der Klarheit halber weggelassen sind.
8 ist eine vereinfachte Perspektivenansicht eines Brennstoffzellenstromerzeugers, der eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Oxidationsmittelreaktantengasabwärtsströmung verwendet.
9 ist eine vereinfachte perspektivische Teilansicht einer alternativen Form des externen Kondensators für die Verwendung bei der Erfindung.
10 ist ein stilisiertes, vereinfachtes Blockdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung, die einen sekundären Wärmetauschkreislauf mit dem Kondensator verwendet.
11 ist eine vereinfachte diagrammatische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, die einen Deionisierer verwendet.
ART (ARTEN) ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Es wird jetzt Bezug auf 2 genommen. Ein Brennstoffzellenstromerzeuger 36 gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Stapel 37 von Brennstoffzellen 38 auf, die senkrecht angeordnet gezeigt sind, obwohl sie auch waagrecht angeordnet sein können.
In dieser Ausführungsform wird Brennstoff von der Quelle 41 an einen Brennstoffeinlass 42 geliefert und strömt nach rechts in einem ersten Brennstoffgang, wie von dem dick gedruckten Pfeil 43 gezeigt, zu einem Brennstoffumkehrverzweigungssystem 44. Das Brennstoffgas strömt dann abwärts und in einem zweiten Brennstoffgang der Brennstoffströmungsfelder, wobei das Brennstoffgas nach links strömt, wie von dem dick gedruckten Pfeil 45 gezeigt. Von einem Brennstoffauslass 47 kann der Brennstoff durch eine Rückführpumpe 48 (vielleicht mit nicht gezeigten Ventilen) zurück zu dem Brennstoffeinlass 42 strömen und kann durch ein Ventil 49 periodisch in die Umgebungsluft abgeführt werden, wie alles in der Technik bekannt ist. Es können Einzelgang-, Dreifachgang- oder andere Brennstoffströmungskonfigurationen verwendet werden.
In der Ausführungsform von 2 wird Luft von einer Pumpe 52 an einen Lufteinlass 53 geliefert und strömt die Luft durch die Oxidationsmittelreaktantengasströmungskanäle der Brennstoffzellen 38 nach oben, wie von dem hohlen Pfeil 54 gezeigt. Von einem Luftauslass 57 strömt die Luft über einen Kanal 58 zu einem Kondensator 59, der in einem Fahrzeug ein herkömmlicher Radiator sein kann. Die Ausgangsluft wird durch einen Ablass 62 geleitet. Das Kondensat von dem Kondensator 59 kann (direkt oder in einem in 4 gezeigten Kanal 63) zur Sammlung in einen Speicherbehälter 64 geführt werden, der durch einen Wasserrückführkanal 65 mit einem Wassereinlass 66 verbunden ist. Das Wasser strömt dann durch Fluidkanäle, typischerweise winzige Passagen 67, in jede der Brennstoffzellen 38; die Passagen 67 können in einem Ablassöffnungs verzweigungssystem 68 enden, von dem das Entfernen von Gas aus den Passagen durch eine Ablassöffnung, wie z.B. eine poröse hydrophobe Stopfenablassöffnung 69 geleistet wird; oder, wenn es in einem gegebenen Fall geeignet ist, können die Passagen in einer ,Sackgasse' enden.
Obwohl es einen Wassereinlass 66 gibt, gibt es keinen Wasserauslass, das Wasser ist einfach in jeder Brennstoffzelle anwesend, wie vollständiger in Bezug auf 3 beschrieben. In 3 weist eine Ausführungsform der Erfindung Brennstoffzellen 38 auf, von denen jede eine herkömmliche Membranelektrodenanordnung 72 aufweist, die einen Elektrolyten mit einem Anoden- und einem Kathodenkatalysator auf entgegengesetzten Seiten davon aufweist und eine Gasdiffusionsschicht an einer oder beiden Elektroden aufweisen kann.
In der Ausführungsform von 3 strömt Reaktantengas durch Kanäle 74 in einer Brennstoffreaktantengasströmungsfeldplatte 75, die in dieser Ausführungsform Nuten 76 aufweist, die zusammen mit Nuten 77 einer benachbarten Brennstoffzelle eine winzige Wasserpassage 78 bilden. Auf der Kathodenseite weist eine Oxidationsmittelreaktantengasströmungsfeldplatte 81 Luftströmungskanäle 82 und Nuten 83 auf, die zusammen mit Nuten 84 an einer benachbarten Brennstoffzelle winzige Passagen 85 bilden.
Um ein Überfluten zu verhindern, ist es vorzuziehen, dass die Reaktantengase mindestens einige Kilopascal höher sind als der Wasserdruck in den Passagen. Dies tritt natürlicherweise als eine Folge der Luftpumpe 52 auf, die allgemein bewirkt, dass die Luft so weit über dem atmosphärischen Druck liegt und der Druck des Brennstoffs leicht reguliert wird, wie bekannt ist. In der Ausführungsform von 2 hat das Wasser in dem Kanal 65 atmosphärischen Druck. Jedoch könnte das Wasser durch eine Vielfalt von herkömmlichen Einrichtungen mit einem anderen Druck als dem atmosphärischen geliefert werden, solange die Reaktantengase einen leicht höheren Druck haben, wie beschrieben. Wenn es unter irgendwelchen Umständen geeignet ist, kann der Akkumulator 64 weggelassen werden und das Kondensatorkondensat direkt in den Wassereinlass 66 gespeist werden.
In anderen Ausführungsformen können die Passagen anders als durch zusam menpassende Nuten, wie gezeigt, gebildet werden. Wasserpassagen 67 können in nur einer der Reaktantengasströmungsfeldplatten 75, 81 vorgesehen sein. Die Erfindung kann in Brennstoffzellenstapeln mit soliden Trennplatten verwendet werden; oder, wenn als notwendig erachtet, mit Kühlplatten. In diesem Fall ist die Kühlmittelströmung darin vollständig von der Verdampfungskühlung der vorliegenden Erfindung unabhängig.
Die Reaktantengasströmungsfeldplatten 75, 81 scheinen in einem Brennstoffzellenstromerzeuger, der eine bedeutende Wasserströmung durch die Wassertransportplatten mit externer Wasserverarbeitung nutzt, wie in dem US-Patent 5 700 595 beschrieben, die gleichen wie Wassertransportplatten, manchmal als feinporige Platten bezeichnet, zu sein. Jedoch haben, weil es im Vergleich zu der Wasserströmungskühlung mit fühlbarer Wärme des oben erwähnten 595-er Patents bei der Verwendung von Verdampfungskühlung eine einhundert-zu-eins-Verbesserung in der Kühlungswirksamkeit pro Volumen von Wasser gibt, die Wasserströmungskanäle des Standes der Technik Querschnitte, die mehrere Zehnfache der Querschnitte der Wasserpassagen 78, 85 der Erfindung sind. Außerdem kann die Beabstandung der seitlichen Bereiche der Wasserpassagen 78, 85 (an jeder Verbindung der Brennstoffzellen in der Ausführungsform von 3 gezeigt) und ähnlicher Strömungspassagen in anderen Ausführungsformen durch eine Entfernung getrennt sein, die ein Mehrfaches des Abstands zwischen seitlichen Teilen der Wasserströmungskanäle in Wasserströmungskühlsystemen mit fühlbarer Wärme, wie in dem oben genannten Patent, beträgt. Der kleine Querschnitt der Wasserpassagen 78, 85 und die große Entfernung zwischen aufeinander folgenden seitlichen Teilen davon erlauben, dass die Dicke der Reaktantengasströmungsfeldplatten 75, 81 um etwa ein Drittel reduziert wird.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in 4 veranschaulicht. Der Kondensator 59 ist über eine Leitung 63 mit dem Speicherbehälter 64 verbunden. Dabei ist das Ablassöffnungsverzweigungssystem 68 mit einer Vakuumpumpe 89, zum Beispiel vom Mikrovakuumtyp, wie er für ein Aquarium verwendet wird, verbunden, um ein ausreichendes Vakuum zu schaffen, um sicherzustellen, dass der Wasserpegel die obersten Teile der Passagen in dem Stapel 37 erreicht. In manchen Ausführungsformen bewirkt die Pumpe 89 mög licherweise keinerlei Wasserströmung durch das Ablassöffnungsverzweigungssystem 68. Jedoch kann in manchen Ausführungsformen eine geringere Wasserströmung notwendig sein, um dazu beizutragen, dass Gasblasen die Ablassöffnung erreichen, und um die Wasserpassagen des Stapels zu reinigen. Diese Strömung kann zum Beispiel im Bereich von etwa 3%–30% der Massenströmungsrate des in die Reaktantenkanäle verdampfenden Wassers sein.
In 5 hat der Brennstoffzellenstapel einen Kondensator 59, der über dessen Oberseite angeordnet ist, wobei der Kondensator 59 ein Reaktantenluftauslassverzweigungssystem für das Kühlen des Stapelluftabgases aufweist. Um mitgeführtes Wasser zu kondensieren, pumpt ein Gebläse 95 Luft durch eine Mehrzahl von Kühlungsrohren 96, die sich durch einen Kanal 97 zu dem Kathodenablass öffnen. Das Kondensat wird durch eine Leitung 65a in einen Speicherbehälter 64 gespeist, der ein kombiniertes Akkumulator-/Lufteinlassverzweigungssystem aufweist, das über eine Leitung 65b mit dem Wasserspeisungseinlass 66 verbunden ist. Sollte das Wasser in dem Speicherbehälter 64 keinen adäquaten Druck schaffen, damit Wasser in den höchsten Bereichen der Passagen 67 (2) ist, dann können die Passagen 67 mit einer Ablassöffnung 99 verbunden sein, um den Wasserdruck auf den atmosphärischem Druck zu beziehen; oder sie können durch die Ablassöffnung 99 mit einer Mikrovakuumpumpe 89 (4) verbunden sein, um einfach zusätzliches Druckdifferential zu schaffen, wie vorhergehend mit Bezug auf 4 beschrieben. In 5 sind die Brennstoffkomponenten der Klarheit halber weggelassen worden. Man beachte, dass andere Konfigurationen und Kühlfluide in dem Kondensator verwendet werden könnten.
In 6 reguliert eine Steuereinrichtung 101 die Luftströmung in Abhängigkeit von der Temperatur 102 einer oder mehrerer Zellen des Stapels. Die Steuerung könnte kontinuierlich oder in Stufen erfolgen. Oder auf Wunsch könnte die Steuerung einfach darin bestehen, eine konstante Luftströmung (anstatt eine konstante Luftnutzung aufrechtzuerhalten) aufrechtzuerhalten, die eine ausreichende Verdampfungskühlung bei den höheren Stromdichten des Stapels sicherstellt, um den erwünschten Temperatursollwert aufrechtzuerhalten. Auf diese Weise wird die durchschnittliche Zellentemperatur reduziert und das Stapelleben dadurch verlängert.
7 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der Erfindung; anstatt Nuten, die Passagen bilden, ist ein Material 78a, 85a vorhanden, das leitfähig, hydrophil und sehr wasserdurchlässig ist und sich über im Wesentlichen die gesamte Flächenform der Reaktantengasströmungsfeldplatten 71, 85 erstreckt. Ein solches Material kann Kohlenstofffaserpapier mit Fasern sein, die in die Richtung der Wasserbewegung ausgerichtet sind, um die Wasserdurchlässigkeit auf gleicher Ebene zu unterstützen, oder es kann ein anderes herkömmlicherweise als Brennstoffzellendiffusionsmedium verwendetes Material sein. Das steht im Gegensatz zum Stand der Technik, wie in der oben erwähnten Patentveröffentlichung, in der die Reaktantengasströmungsfeldplatten undurchlässig sind und beabstandete Streifen aus wasserdurchlässigem Material die Luftströmungskanäle zwischen den Streifen definieren. In diesem Fall verursacht jeglicher Wasserdruck ein Überfluten. In der Erfindung kann der Druck (die Druckhöhe) von Wasser jeder beliebige sein, der sinnvollerweise notwendig ist, um das Füllen überall in dem Stapel zu sicherzustellen, während der Reaktantengasdruck höher sein kann als der Wasserdruck, um ein Überfluten zu verhindern.
8 stellt einen Bereich eines Brennstoffzellenstromerzeugers 119 dar, in dem die Erfindung mit einer Abwärtsströmungskonfiguration ausgeführt werden kann, die einen Brennstoffzellenstapel 120 aufweist. Luft wird an ein Lufteinlassverzweigungssystem 122 geliefert und gelangt weiter durch die Oxidationsmittelströmungskanäle zu einem Luftausgangsverzweigungssystem 123 und von dort in einen Kondensator 124. Die Ausströmung aus dem Kondensator 124 ist über der Wasserlinie 127 eines Speicherbehälters 128. Die gekühlte Luft wird an einem Luftauslass 131 ausgestoßen, der auch eine Wasserüberfüllung 132 aufweisen kann oder ihm sonst benachbart sein kann. Das Kühlmittel für den Kondensator 124 kann Umgebungsluft aufweisen, wie von den Pfeilen 134 veranschaulicht.
Brennstoff, der an ein Brennstoffeinlassverzweigungssystem 136 geliefert wird, strömt nach links, dann durch ein Brennstoffverzweigungssystem 137, woraufhin er nach rechts und durch ein Brennstoffausgangsverzweigungssystem 138 hinaus strömt.
Wasser aus dem Speicherbehälter 128 strömt durch einen Wasserkanal 141 zu einem unteren Wasserverzweigungssystem 142. Das Wasser gelangt in die Wasserkanäle 67 (wie vorhergehend in Bezug auf 2 beschrieben) zu der Oberseite des Brennstoffzellenstapels und möglicherweise in ein oberes Wasserverzweigungssystem 143.
Die Ausführungsform von 8 verwendet eine Verdampfungskühlung, bei der kein Wasser aus dem oberen Wasserverzweigungssystem 143 herausströmt. Das einzige Wasser, das durch das untere Wasserverzweigungssystem 142 eintritt, soll das ersetzen, das in die Luftkanäle verdampft wird, wie vorhergehend mit Bezug auf 2 und 3 beschrieben ist. Eine Leitung 145 schafft eine Fluidverbindung mit einer Mikrovakuumpumpe 146, die keinerlei Flüssigkeit von dem Verzweigungssystem 143 leitet, aber einfach einen ausreichenden Vakuumdruck aufbringt, um sicherzustellen, dass Wasser durch alle Wasserkanäle in dem Stapel steigt. Die Mikrovakuumpumpe 146 kann zum Beispiel eine einfache Pumpe von dem Typ aufweisen, der für kleine Aquarien verwendet wird und nur einige US-Dollar kostet.
Um ein Überfluten zu verhindern, ist es vorzuziehen, dass die Reaktantengase mindestens einige Kilopascal höher sind als der Wasserdruck in den Passagen. Dies tritt natürlicherweise während des Betriebs des Brennstoffzellenstromerzeugers als eine Folge einer (nicht gezeigten) herkömmlichen Luftpumpe auf, die allgemein bewirkt, dass die Luft so weit über dem atmosphärischen Druck liegt, und dass der Druck des Brennstoffs leicht reguliert wird, wie bekannt ist. In der Ausführungsform von 8 ist das Wasser in den Kanälen über dem atmosphärischen Druck. Jedoch könnte das Wasser durch eine Vielfalt von herkömmlichen Einrichtungen bei einem anderen Druck als dem atmosphärischen geliefert werden, solange die Reaktantengase einen leicht höheren Druck haben, wie beschrieben.
Gemäß einem in 9 dargestellten anderen Aspekt der Erfindung wird die Wahrscheinlichkeit, dass Kondensat in dem Speicherbehälter 64 und Wasser in der Leitung 65 gefriert, in Situationen reduziert, in denen die Brennstoffzelle ein elektrisches Fahrzeug mit Energie versorgt und der Kondensator im Wesentli chen der Radiator des Fahrzeugs ist. Wenn die Umgebungstemperatur unter dem Gefrierpunkt ist und die Last sehr niedrig ist, wie z.B. beim Hinunterfahren eines steilen Hügels, kann die Abwärme der Ablassluft sehr gering sein, weil es wenig erzeugtes und verdampftes Produktwasser gibt, und kann sämtliches verdampfte Wasser in dem Kondensator 59 und/oder in dem Kanal 65, der zu dem Brennstoffzellenstapel zurückführt, tatsächlich gefrieren. Um das zu vermeiden, ist eine Luftströmungssteuereinrichtung, zum Beispiel eine Mehrzahl von Schließvorrichtungen oder eine andere Luftströmungssteuereinrichtung 155, an der Umgebungslufteinlassseite des Kondensators 59 angeordnet und wird von einer Steuereinrichtung 157 so gesteuert, dass die Luftströmung durch den Kondensator unter Bedingungen von kalten Temperaturen und niedrigen Lasten reduziert wird. Wenn die Last hoch ist, ist der Kathodenablass in der Leitung 58 warm, so dass die Steuereinrichtung 157 die Schließeinrichtungen 155 öffnen kann, selbst wenn die Außenlufttemperatur niedrig ist. Auch, wenn die Außenlufttemperatur hoch ist, kann die Steuereinrichtung 157 die Schließeinrichtungen offen lassen, selbst wenn die Last niedrig ist und die Ablassluft in dem Kanal 58 kalt ist.
Eine andere Art, ein Gefrieren des Kondensats zu vermeiden, ist in 10 veranschaulicht. Darin weist ein Kondensator 59a einen Wärmetauscher mit einer Windung (oder einem anderen Kanal) 160, durch die (bzw. den) Kathodenablassluft strömt, und der anderen Windung (oder dem anderen Kanal) 161, durch die (bzw. den) ein Fluid, wie z.B. eine Wasser/Glykolmischung, die nicht einfriert, strömt, auf. In dieser beispielhaften Ausführungsform wird eine Glykolmischung von einer Pumpe 163 an die Windung 161 geliefert, was bewirkt, dass die Glykolmischung durch einen Kanal 164 zu einem Umgebungsluftwärmetauscher 59b mit einer Windung (oder einem Kanal) 165 strömt. Die Strömung von der Windung (oder dem Kanal) 165 gelangt durch ein Ventil 166, das von einer Steuereinrichtung 167 so steuerbar ist, dass das Ventil 166 bei einer niedrigen Last bei kalter Temperatur im Wesentlichen oder vollständig geschlossen werden kann, wodurch das Kathodenabgas, das von dem Kanal 58 durch die Windung 160 strömt, nicht gekühlt wird. Bei warmen Wetter oder bei hohen Lasten kann die Steuereinrichtung 167 das Ventil 166 öffnen, um der Windung (oder dem Kanal) 161 Kühlmittel zu liefern, wodurch das Kathodenabgas, das durch die Windung (oder den Kanal) 160 strömt, gekühlt wird.
Die Ausströmung der Windung (oder des Kanals) 160 wird von einem Kanal 170 zu einer Luft-/Wassertrennvorrichtung 171 getragen; die Luft gelangt durch den Ablass 62 in die Umgebungsluft und das Wasser gelangt durch den Kanal 65 zurück zu dem Brennstoffzellenstapel. Folglich kann der Kondensator ungesteuerte Umgebungsluft, gesteuerte Umgebungsluft oder ein Fluid, wie z.B. eine frostbeständige Flüssigkeit haben, um den Kathodenablass zu kühlen.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in 11 veranschaulicht. Darin werden ein (manchmal als "Demineralisierer" bezeichneter) Deionisierer 175 und ein Rückschlagventil 176 den vorher beschriebenen Ausführungsformen mit Ablassöffnungen 68, 143 an der Oberseite des Stapels 37, 120 hinzugefügt. In diesen Ausführungsformen führen die Leitungen 69a, 145a zu dem Rückschlagventil 176 und führen die Leitungen 69b, 145b von dem Rückschlagventil zu der zugehörigen Pumpe 89, 146. Der Deionisierer 175 ist in Fluidverbindung zwischen der Pumpe 89, 146 und dem Speicherbehälter 64, 128. Folglich wird ein Bruchteil des Wassers, der in der Größenordnung von etwa 3%–30% der Massenströmung von verdampftem Wasser sein kann, von dem Stapel 37, 120 abgezogen und durch den Deionisierer 175 geleitet und dann durch den Speicherbehälter 64, 128 zu dem Stapel 37, 120 zurückgeleitet. Ein Teil der Wasserströmung kann den Deionisierer 175 durch das Steuern eines Umgehungsventils um den Deionisierer 175 herum umgehen, wie in der Technik bekannt ist. Ein Deionisierer kann stattdessen, typischerweise mit einer Umgehungsströmungssteuerung, in manchen Ausführungsformen mit dem Auslass des Kondensators verbunden werden. Es ist auch möglich, das Wasserströmungskonzept ohne den Deionisierer beizubehalten, wenn eine geringe Wasserzirkulation für andere Zwecke, wie z.B. das Entfernen von Gas, erwünscht wird.
Das Rückschlagventil 176 ist optional und vorgesehen, um zu verhindern, dass Wasser, das in den Kanälen in dem Stapel gespeichert ist, beim Abschalten des Brennstoffzellenstromerzeugers durch die (üblicherweise als "Wassertransportplatten" bezeichneten) hydrophilen porösen Platten, in denen die Wasserpassagen und Reaktantengasströmungsfeldkanäle gebildet sind, in die Reaktantengasströmungsfeldkanäle "sinkt".
Wasser kann beim Abschalten bei kaltem Klima auf Wunsch aus den Passagen und dem Kondensator abgeleitet werden. Anstatt die Pumpe 89, 146 zu verwenden, kann die Strömung durch den Deionisierer 175 durch Konvektion getrieben werden, da die Temperatur des Deionisierers 175 niedriger ist als die Temperatur des Stapels 37, 120. Die Konvektion kann auf Wunsch mit einem Wärmetauscher in Reihe mit dem Deionisierer 175 verbessert werden.
Die oben genannte Patentanmeldung und das oben genannte Patent sind hierin durch Bezugnahme aufgenommen.
ZUSAMMENFASSUNG
Brennstoffzellen (38) haben Wasserpassagen (67; 78, 85; 78a, 85a), die Wasser durch Reaktantengasströmungsfeldplatten (74, 81) liefern, um die Brennstoffzelle zu kühlen. Die Wasserpassagen können durch einen porösen Stopfen (69) zur Atmosphäre (99) geöffnet sein oder abgepumpt werden (89, 146) mit dem oder ohne das Entfernen von irgendwelchem Wasser aus den Passagen. Ein Kondensator (59, 124) nimmt Reaktantenluftabgas auf, kann einen angrenzenden Speicherbehälter (64, 128) haben, kann senkrecht sein (ein Fahrzeugradiator, 2), kann waagerecht, angrenzend an die Oberseite des Brennstoffzellenstapels (37, 5) oder unter (124) dem Brennstoffzellenstapel (120) sein. Die Passagen können Nuten (76, 77; 83, 84) sein oder können eine Ebene aus porösem hydrophilem Material (78a, 85a) aufweisen, die im Wesentlichen an die gesamte Oberfläche einer oder beider der Reaktantengasströmungsfeldplatten angrenzt. Luftströmung in dem Kondensator kann von Schließvorrichtungen (155) gesteuert werden. Der Kondensator kann ein Wärmetauscher (59a) mit frostbeständiger Flüssigkeit sein, die durch eine Windung (161) davon strömt, wobei die Menge von einem Ventil (166) gesteuert wird. Ein Deionisierer (175) kann verwendet werden.

Claims

Brennstoffzellenstromerzeuger, aufweisend: einen Stapel (37, 120) von Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle eine Elektrodenanordnung (72), die einen Elektrolyten mit einem Kathoden- und einem Anodenkatalysator aufweist, die an dessen entgegengesetzten Seiten angeordnet sind, eine Brennstoffreaktantengasströmungsfeldplatte (75) mit Brennstoffreaktantengasströmungskanälen (74), die sich von einer ersten Oberfläche davon erstrecken, eine Oxidationsmittelreaktantengasströmungsfeldplatte (81) mit Oxidationsmittelreaktantengasströmungskanälen (82), die sich von einer ersten Oberfläche davon erstrecken, wobei mindestens eine der Strömungsfeldplatten porös und hydrophil ist, und eine Wasserpassage (67; 78, 85; 78a, 85a), die an einer oder in der Nähe einer zweiten Oberfläche der mindestens einen Strömungsfeldplatte angeordnet ist, die deren ersten Oberfläche entgegengesetzt ist, aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass: die Wasserpassagen entweder (a) in der entsprechenden Brennstoffzelle in einer ,Sackgasse enden' oder (b) nach außen geöffnet (69, 89, 99, 145) sind, wobei die Wasserpassage aus entweder (c) mindestens einer Fluidleitung (78, 85) in der mindestens einen Platte oder (d) einem Material (78a, 85a), das im Wesentlichen an die gesamte zweite Oberfläche angrenzt, besteht, wobei das Material leitfähig, hydrophil und wasserdurchlässig ist; und der Brennstoffzellenstromerzeuger ferner aufweist: einen Kondensator (59, 124), der mit einem Reaktantengasausgang der mindestens einen der Brennstoffzellen verbunden ist, wobei das Kondensat des Kondensators in Fluidverbindung mit den Wasserpassagen der Brennstoffzellen ist, wobei Wasser von den Wasserpassagen durch jede der mindestens einen hydrophilen, porösen Reaktantengasströmungsfeldplatten wandert und verdampft wird, um die Brennstoffzellen zu kühlen.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 1, wobei: jede Brennstoffzelle eine Nut (76, 77; 83, 84) in der ersten Oberfläche einer oder beider der Brennstoffreaktantengasströmungsfeldplatte (75) und der Oxidationsmittelreaktantengasströmungsfeldplatte (81) hat, die die Wasserpassagen (78, 85) bildet, wenn der Brennstoffzellenstapel montiert ist.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 1, wobei: der Kondensator (59) getrennt (2) von dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 1, wobei: die Luftströmung in dem Kondensator (59, 124) senkrecht ist.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 1, der in einem Fahrzeug angeordnet ist, wobei: der Kondensator (59) einen Fahrzeugradiator (2) aufweist.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 5, wobei: der Kondensator (59, 124) einen Wasserspeicherbehälter (64, 128) hat, der an dessen Unterseite angrenzend angeordnet ist.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen Wasserspeicherbehälter (64, 128), der das Kondensat aufnimmt, wobei die Passagen (67; 78, 85; 78a, 85a) in Fluidverbindung mit dem Speicherbehälter sind.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 1, wobei: die Wasserpassagen (67; 78, 85; 78a, 85a) je mit einer Ablassöffnung (69, 89, 99, 145) verbunden sind.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 8, wobei: die Ablassöffnung (69, 99) unter atmosphärischem Druck ist.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 8, wobei: der Wasserdruck an der Ablassöffnung (69, 86, 99, 145) geringer oder gleich dem Wasserdruck an dem Kondensator(59, 124)-Ausgang ist.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 10, wobei: der Wasserdruck an der Ablassöffnung (69, 86, 99, 145) geringer ist als der Wasserdruck an dem Kondensator(59, 124)-Ausgang; und der Flüssigkeitsdruckunterschied durch den Druck des Kondensatorabgases erreicht wird, das Wasser in die Wasserpassagen (67; 78, 85; 78a, 85a) drückt.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 10, ferner aufweisend: einen Wasserspeicherbehälter (64, 128), der das Kondensat aufnimmt, wobei die Passagen in Fluidverbindung mit dem Wasserspeicherbehälter (64, 128) sind; und wobei: hydraulischer Druck des Wassers in dem Kondensator (59, 124) Wasser in die Wasserpassagen (67; 78, 85; 78a, 85a) drückt.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 10, wobei: der Flüssigkeitsdruck an der Ablassöffnung (69, 89, 99, 145) ausreichend geringer ist als der Wasserdruck an dem Kondensatorausgang (59, 124), um eine Wasserströmung aus der Ablassöffnung heraus zu schaffen.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 13, ferner gekennzeichnet durch: einen Demineralisierer (175), der eine Wasserströmung aus der Ablassöffnung (69, 99, 145) aufnimmt, wobei Wasser, das aus dem Demineralisierer strömt, an die proximalen Enden der Passagen mit dem Kondensat zurückgeführt wird.
Brennstoffzellenstromerzeuger Anspruch 14, ferner gekennzeichnet durch: ein Rückschlagventil (176), das in Fluidverbindung zwischen den Passagen und dem Demineralisierer angeordnet ist, um zu ermöglichen, dass Wasser aus der Ablassöffnung nur zu dem Demineralisierer hin strömt.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 8, ferner aufweisend: eine Vakuumpumpe (89, 146), die mit der Ablassöffnung verbunden ist und auf eine Art betrieben wird, dass sichergestellt wird, dass der Kühlmittelpegel alle Bereiche der Wasserpassagen (67; 78, 85; 78a, 85a) erreicht.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 8, ferner aufweisend: eine Vakuumpumpe (89, 146), die mit der Ablassöffnung verbunden ist und auf eine Art betrieben wird, dass sichergestellt wird, dass der Kühlmittelpegel alle Bereiche der Wasserpassagen (67; 78, 85; 78a, 85a) erreicht, ohne eine Wasserströmung durch die Ablassöffnung (69, 89, 99, 145) zu schaffen.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 8, ferner aufweisend: eine Vakuumpumpe (89, 146), die mit der Ablassöffnung verbunden ist und auf eine Art betrieben wird, dass sichergestellt wird, dass der Kühlmittelpegel alle Bereiche der Wasserpassagen (67; 78, 85; 78a, 85a) erreicht, und eine Wasserströmung durch die Öffnung (69, 89, 99, 145) liefert.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 18, ferner gekennzeichnet durch: einen Deionisierer, der eine Wasserströmung aus der Ablassöffnung aufnimmt, wobei Wasser, das aus dem Demineralisierer strömt, zu den Passagen zurückgeführt wird.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 1, wobei: der Kondensator (59, 5) an die Oberseite des Stapels (37) angrenzt und sie bedeckt.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 1, wobei: der Kondensator (59, 5) unter dem Stapel (120) ist.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 21, wobei: der Kondensator (124) an die Unterseite des Stapels (120) angrenzt.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 1, wobei: der Stapel (37) von Brennstoffzellen ein Lufteinlassverzweigungssystem (64) aufweist, wobei das Kondensat des Kondensators (59) in Fluidverbindung (65a) mit dem Lufteinlassverzweigungssystem ist, wobei das Lufteinlassverzweigungssystem als ein Speicherbehälter dient und die Wasserpassagen (67; 78, 85; 78a, 85a) in Fluidverbindung (65b) mit dem Wasser in dem Speicherbehälter sind.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 1, wobei: Wasser in die Luft verdampft, die in den Oxidationsmittelreaktantengaskanälen strömt, und die Luftströmung in den Kanälen bei allen Leistungsniveaus konstant (101, 52) gehalten wird.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 1, wobei: Wasser in die Luft verdampft, die in den Oxidationsmittelreaktantengaskanälen strömt, und die Luftströmung in den Kanälen als eine Funktion der Zellentemperatur (102) gesteuert (101, 52) wird.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch, 1 wobei: der Kondensator aus (e) einem Wärmetauscher (59), der durch eine ungesteuerte Umgebungsluftströmung gekühlt wird, (f) einem Wärmetauscher (59), der durch eine gesteuerte (155, 157) Umgebungsluftströmung gekühlt wird, und (g) einem Wärmetauscher (59a), der durch ein anderes Fluid als Umgebungsluft gekühlt wird (161), ausgewählt ist.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 26, wobei: der Kondensator ein von Umgebungsluft gekühlter Wärmetauscher (59) mit einer Luftströmungssteuereinrichtung (155, 157) für das Steuern der Strömung der Umgebungsluft dadurch ist.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 27, wobei: die Luftströmungssteuereinrichtung (155, 157) Schließvorrichtungen (155) aufweist.
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 26, wobei: der Kondensator ein Wärmetauscher (59a) ist, der von einem frostbeständigen Flüssigkühlmittel gekühlt wird (161).
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 29, wobei: die Menge des flüssigen Kühlmittels, das durch den Kondensator strömt, von einer Steuereinrichtung (167) gesteuert wird (166).
Brennstoffzellenstromerzeuger nach Anspruch 29, wobei: das flüssige Kühlmittel durch Umgebungsluft in einem anderen Wärmetauscher (165) gekühlt wird.