DE10393478B4

DE10393478B4 - Kaskaden-Brennstoffeinlass-Verzweigungssystem für Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE10393478B4
Application number: DE10393478.2T
Authority: DE
Inventors: John H. Whiton; Torger J. Anderson; Robin J. Guthrie
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2003-09-17
Publication date: 2016-11-17
Anticipated expiration: 2023-09-18
Also published as: CN100336253C; KR20100114134A; KR101025386B1; WO2004034486B1; CN1689179A; BR0315101A; AU2003270847A8; KR20050047545A; DE10393478T5; US6924056B2; KR101167796B1; WO2004034486A3; US20050042498A1; JP2006502553A; US20040072056A1; JP4691360B2; WO2004034486A2; AU2003270847A1

Abstract

Brennstoffzellenstapel (11) mit einer Anordnung von benachbarten Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle ein Brennstoff-Strömungsfeld (12) mit einem Strömungsfeldeinlass hat und der Stapel ein Brennstoffzelleneinlass-Verzweigungssystem umfasst, aufweisend: einen Kaskadenbereich (15) mit einer Reihe von Stufen (17–23), wobei jede Stufe eine Fläche hat, die in Passagen (24–26) an entgegengesetzten Rändern der Fläche endet, wobei jede Passage jeder Stufe bis auf die letzte in der Reihe Brennstoff zu der Fläche einer nächsten Stufe in der Reihe leitet, wobei die Passagen der letzten Stufe in der Reihe Brennstoff auf eine Kaskadenauslassfläche (41) leiten, so dass Brennstoff in Dimensionen verteilt wird, die nicht parallel zu den Passagen sind; und einen offenen Hohlraum (46), der zwischen den Strömungsfeldeinlässen und der Kaskadenausgangsfläche (41) angeordnet ist.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffeinlass-Verzweigungssystem für Brennstoffzellen, bei welchem die Brennstoffströmung kaskadenartig sukzessive bzw. aufeinander folgend mehrmals gleichmäßig geteilt wird und über die Fläche des Brennstoffzellen-Strömungsfeldeinlasses des Brennstoffzellenstapels verteilt wird, um somit eine gleichmäßige Versorgung mit Brennstoff von allen einzelnen Brennstoffzellen-Brennstoffströmungsfeldern gleichzeitig während des Anfahrens oder vorübergehenden Betriebs eines Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten.
Stand der Technik
Bisherige Verfahren zum Erzeugen von Strömungsgleichverteilung bestehen hauptsächlich aus Diffusoren, welche die Strömung über eine große Fläche expandieren, oder restriktive Vorrichtungen, z. B. Siebe oder Mündungsplatten. Die ersteren verursachen einen Volumennachteil, weil eine graduelle Expansion nötig ist, um eine Strömungsfehlverteilung durch Separation und ”Jetting” der Kernströmung zu vermeiden. Die letzteren erzwingen eine Strömungsumverteilung über die Auslassebene und können recht kompakt sein, aber ein unakzeptabler Druckverlust ist häufig notwendig, um die notwendige Gleichmäßigkeit zu erzeugen. Unakzeptable Fehlverteilungen der Strömung können auch stattfinden durch lokalisiertes ”Jetting” durch die Ausgangsebene der Einlassströmungs-Verteilungsvorrichtung, was Prallplatten oder Ablenker erfordert, um die Gleichförmigkeit zu verbessern. Diese Arten der Konstruktion neigen dazu, nur bei Konstruktionspunkt-Strömungsgeschwindigkeiten effektiv zu sein und sind über breite Strömungsbereiche nicht leistungsfähig. Außerdem sind bei Vorrichtungen sowohl vom Diffusortyp als auch vom restriktiven Typ das Erfordernis für gleichzeitige Verteilung und Versorgung eines Einlassfluidelements über die gesamte Ebene des Einlass-Verzweigungssystemausgangs nicht erfüllt, weil Fluid von der Einlassleitung die Ebene des Verzweigungssystemausgangs zuerst in der Nähe des Zentrums des Strömungsfelds verlässt. Während Übergangsbedingungen, z. B. Erhöhen der Leistung von beispielsweise 50% auf nahezu 100% Leistung, werden manche Zellen, wenn die Brennstoffströmungen nicht gleichmäßig sind, nicht ausreichend Brennstoff erhalten, was zu schlechter (möglicherweise ungenügender) Brennstoffzellenleistung führt.
Beschreibung der Erfindung
Ziele der Erfindung umfassen: Bereitstellen eines PEM-Brennstoffzellen-Brenstoffeinlasses, welcher eine Brennstoffströmungsrate ermöglicht, die im Wesentlichen gleichförmig für alle Strömungsfelder der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel ist und welche eine im Wesentlichen gleiche Menge von Brennstoff im Wesentlichen simultan an jedes Strömungsfeld in einem Brennstoffzellenstapel liefert; im Wesentlichen simultanes Liefern von im Wesentlichen gleichen Mengen an Brennstoff an alle Brennstoffströmungsfelder des Brennstoffzellenstapels während des Anfahrens und anderen transienten (übergangsmäßigen) Brennstoffströmungsbedingungen; Erhöhen der Haltbarkeit der Brennstoffzellenstapel; verbessertes Anfahren der Brennstoffzellen; verbesserte transiente Reaktion der Brennstoffzellen; und verbesserte Brennstoffströmungsverteilung im Brennstoffzellenstapel.
Die Erfindung basiert teilweise auf der Erkenntnis der Tatsache, dass, obwohl ein einfaches Leitungsverzweigungssystem, welches die Strömung in mehrere gleich lange Passagen teilt, die genannten Strömungsprobleme teilweise lösen kann durch Liefern von Fluid an verschiedene Stellen in der Ebene des Auslasses, was bei Bedingungen unter stationärem Zustand effektiv sein kann, eine solche Vorrichtung einen Volumennachteil hat und nicht das Problem des lokalen ”Jetting” löst, es sei denn, es hat eine extrem hohe Anzahl an Zweigen, um die Strömung mit feiner Auflösung zu verteilen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung teilt die BrennstoffeinlassströmungsSteuerungsvorrichtung einer Brennstoffzelle die Brennstoffströmung mehrfach aufeinander folgend gelichmäßig, um eine Anzahl separater Strömungen zu schaffen, und verteilt die Strömungen, um den Brennstoff im Wesentlichen gleichmäßig über die Eingänge zu allen Strömungsfeldern im Brennstoffzellenstapel zu verteilen, wodurch Brennstoffströmungsübergänge die Brennstoffströmungsfelder aller Brennstoffzellen in dem Stapel mit im Wesentlichen der gleichen Strömungsrate und im Wesentlichen gleichzeitig erreichen während des Anfahrens und anderer transienter Brennstoffströmungsbedingungen. In einer beschriebenen Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Kaskadenbereich mehrere Ebenen, wobei der Brennstoff bei jeder Ebene geteilt wird und eine Strömung in zwei separate Richtungen bewirkt wird, wodurch eine anfänglich einzelne Strömung zu einer Anzahl von Strömungen an Kaskadenauslasspassagen, z. B. Schlitze, führt, wobei die Anzahl beispielsweise 8 oder 16 oder jegliche andere geeignete Anzahl ist. In dieser Ausführungsform prallt die Strömung in den Kaskadenauslassschlitzen auf eine flache Fläche, welche das Leiten der Strömung von den Auslassschlitzen gleichförmig über die flache Fläche unterstützt (wenngleich die Fläche in anderen Anwendungen gekrümmt sein kann), und die Strömungsrichtung wird in Richtung der Einlässe der Brennstoffzellen-Brennstoffströmungsfelder geleitet. Ein offener Brennstoffeinlasshohlraum nimmt eine gleichmäßige Strömung von Brennstoff auf, welche die gesamte Ausdehnung des Hohlraums gleichzeitig anströmt, wobei die Brennstoffströmungsfeldeinlässe für jede Brennstoffzelle in Fluidverbindung mit dem Hohlraum sind, wodurch Änderungen in der Brennstoffströmung alle Brennstoffzellen mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Strömung in alle Brennstoffzellen in dem Stapel gleichzeitig erreichen.
Durch gleichmäßige Verteilung des Brennstoffs verbessert die Erfindung auch die Leistung während des normalen Betriebs eines Brennstoffzellenstapels, insbesondere während Brennstoffströmungsübergängen.
Andere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ersichtlicher anhand der folgenden detaillierten Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen, wie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine teilweise geschnittene, teilweise durchbrochene Perspektivansicht einer Ausführungsform eines Kaskaden-Brennstoffeinlassverzweigungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein stilisiertes, idealisiertes schematisches Diagramm der Brennstoffströmung, aufgenommen ungefähr auf der Linie 2-2 von 1.
3 ist eine vereinfachte, stilisierte Darstellung der Brennstoffströmung, aufgenommen ungefähr auf der Linie 3-3 in 1.
Art(en) der Ausführung der Erfindung
Es wird auf 1 Bezug genommen. Eine Mehrzahl von Brennstoffzellen ist benachbart in einem Brennstoffzellenstapel 11 angeordnet. Jede der Brennstoffzellen hat ein Brennstoffströmungsfeld 12, welches Brennstoffreaktantengas aufnimmt und es in der gesamten Brennstoffzelle verteilt. Das in 1 dargestellte Brennstoffströmungsfeld 12 kann nur einen Teil der Brennstoffströmungsfelder von jedem Brennstoffzellenstapel repräsentieren, es kann ein Umkehrverzweigungssystem (nicht gezeigt) in 1 oben rechts geben, welches durch die Strömungsfelder 12 strömendes Brennstoffreaktantengas aufnimmt, und es kann zusätzliche Brennstoffströmungsfelder geben, eines für jede Brennstoffzelle, welche unterhalb der in 1 dargestellten angeordnet sind, wobei Brennstoff davon auswärts in ein Brennstoffauslassverzweigungssystem strömt, welches in Richtung der unteren linken Ecke der Darstellung von 1 angeordnet ist. Die Eigenschaften der Brennstoffströmungsfelder und die Anordnung des Brennstoffauslassverzweigungssystems ist für die vorliegende Erfindung irrelevant.
In 1 wird Brennstoff durch einen Einlass 14 eines Kaskadenbereichs 15 eingeführt, wobei der Brennstoff durch eine konventionelle Brennstoffleitung zu dem Einlass 14 geliefert wird. Der Kaskadenbereich 15 hat eine Mehrzahl von Stufen oder Ebenen 17 bis 23, von welchen jede eine obere Fläche hat, die in einem Paar entsprechender Passagen, z. B. Schlitze 24 bis 26, endet. Wie durch die kleinen Strömungspfeile in 1 gezeigt, teilt sich die Strömung auf jedem Plateau 17 bis 23 der Kaskade so, dass im Wesentlichen die Hälfte in Richtung jedes der Schlitze 24 bis 26 an den Kanten der entsprechenden Ebene strömt. Dies bewirkt, dass die Strömung über eine Kaskadenausgangsfläche verteilt wird, welche eine Bodenfläche 41 eines Kaskadenausgangskopfes 40 umfasst, welcher sich im gesamten Bereich unter dem Kaskadenbereich 15 erstreckt, wie in 1 gesehen, und in Fluidverbindung mit jedem der Schlitze 26 ist.
Die Strömung wird nach unten in Richtung der Bodenfläche 41 des Kaskadenausgangskopfstücks 40 geleitet, verteilt sich in den Bereichen zwischen den Schlitzen, wie in 2 dargestellt. In 2 verteilt sich die Strömung, welche irgendeinen der Schlitze 26 verlässt, nach außen, nach rechts und links strömen, wie in 2 (nach oben links und unten rechts, wie in 1), und auch nach oben strömend in 2 (nach oben rechts in 1), in Richtung eines offenen Hohlraums 46. Es wird Bezug genommen auf 3. Die Strömung vom Kaskadenausgangskopfstück 40 geht nach rechts in den offenen Hohlraum 46. Die Strömung ist gleichmäßig verteilt von oben links nach unten rechts, wie in 1, wenn die Strömung in den offenen Hohlraum 46 einströmt (3). Die Strömung tritt dann in die unteren Kanäle der Strömungsfelder 12 ein und strömt auch aufwärts in dem offenen Hohlraum 46, um in die oberen Kanäle der Strömungsfelder 12 einzuströmen. Wenn eine anfängliche Strömung von Brennstoff durch den Kaskadenbereich, das Kaskadenausgangskopfstück und den offenen Hohlraum 46 in die Strömungsfelder 12 gelangt, kann es eine Brennstoff/Luftgrenze (oder Brennstoff/Inertgasgrenze) bilden, ungefähr wie durch die Strich/Punktlinie 49 in 3 gezeigt. Die Tatsache, dass jede Brennstoffzelle nicht das gleiche Ausmaß an Brennstoffeindringung in allen Bereichen ihres eigenen Strömungsfeldes hat, ist irrelevant; es ist wichtig, dass alle Brennstoffzellen den gleichen Grad an Eindringung (wie durch die Punkt/Strichgrenzlinie 49 dargestellt) zu jedem Zeitpunkt haben, und das dieser Grad an Brennstoffeindringung in allen Brennstoffzellen gleichzeitig stattfindet.
In 1 wird die anfängliche Strömungsverteilung innerhalb des Kaskadenbereichs 15 mehrfach geteilt, wobei jeder Pfad bezüglich der Länge und Abmessungen gleich ist, so dass die Strömungsraten und Druckabfälle im Wesentlichen gleich sind, und die Ankunftszeit der Brennstoff/Luftgrenze während des Anfahrens oder einer Veränderung der Brennstoffströmungsrate bei transienten Bedingungen im Wesentlichen gleichzeitig bei jedem der Kaskadenauslassschlitze 26 ist. In der in 1 gezeigten Orientierung des Kaskadenbereichs 15 kann sich flüssiges Wasser in der Brennstoffströmung nicht in den Passagen ansammeln und Unregelmäßigkeiten im Strömungsquerschnitt und damit in der Strömungsverteilung erzeugen. Falls jedoch in bestimmten Anwendungen der vorliegenden Erfindung erwünscht, kann der Kaskadenbereich 15 auf eine Weise orientiert sein, welche rechtwinklig zu der in 1 gezeigten ist; dies kann visualisiert werden, indem man sich vorstellt, dass der Kaskadenbereich 15 um 90° gegen den Uhrzeigersinn um einen Drehpunkt 50 in 3 gedreht wird. Falls die Ausgangsschlitze 26 den Brennstoff jedoch direkt in den offenen Hohlraum 46 strömen lassen, müsste der offene Hohlraum mit einer Umlenkplatte (ähnlich der Bodenfläche 41) ausgestattet werden, oder die Tiefe des Hohlraums 46 müsste beträchtlich erhöht werden, um die gewünschte Verteilung zu erreichen, welche durch die Bodenfläche 41 in der hier gezeigten Ausführungsform ermöglicht wird.
Im gezeigten Beispiel hat die Kaskade drei Stufen; sie teilt die Strömung sieben Mal, was zu acht Böden führt. Jedoch können zwei (oder mehr als drei) Stufen verwendet werden, welche vier (oder mehr als acht) Strömungen ergeben. Wenn 1 nur ein Teil der Einlassseite der Brennstoffströmungsfelder repräsentiert, wobei der Rest in 1 oben links ist, teilt die erste Stufe die Strömung so, dass ein Teil davon in den Einlass 14 gelangt (und ähnlich für den anderen Bereich).
Die vorliegende Erfindung bewirkt, dass die Brennstoff/Luft (oder Brennstoff/Inertgas)-Grenze und andere Änderungen in der Brennstoffströmung gleichzeitig an den Einlassen der Brennstoffströmungsfelder aller Brennstoffzellen ankommen. Das bedeutet, dass Unterschiede der elektrischen Aktivität in jeder der Brennstoffzellen abhängig von den Eigenschaften der individuellen Brennstoffzellen und nicht von der Tatsache, dass eine Brennstoffzelle eine größere Änderung in der Menge an Brennstoff erfahren hat als andere Brennstoffzellen, abhängig sind. Dies wiederum ermöglicht, dass das elektrische Potenzial aller Zellen gleichmäßiger gesteuert werden kann, während gleichzeitig jegliche Schäden an individuellen Brennstoffzellen minimiert werden, Leistungsänderungen verringert werden, die Übergangsfähigkeit verbessert wird und die Brennstoffzellenlebensdauer signifikant erhöht wird. In den meisten Anwendungen bietet die vorliegende Erfindung ausreichend Kontrolle über relative Spannungen der Brennstoffzellen während des Anfahrens, so dass eine Inertgasspülung der Brennstoffzellenströmungsfelder nicht durchgeführt werde muss. Strömungsaufprall auf die verschiedenen Ebenen der Kaskade verbessert das gleichförmige Verteilen des Brennstoffs in den Dimensionen parallel zu den Schlitzen, während gleichzeitig die Kaskade den Brennstoff ziemlich gleichmäßig in den Dimensionen rechtwinklig zu den Schlitzen verteilt. Aufprallen des Brennstoffs auf die Bodenfläche 41 des Kaskadenauslasses 40 (3) verteilt den Brennstoff in Dimensionen, welche nicht parallel zu den Schlitzen sind. Die Kaskade und das Kopfstück verhindern das ”Jetting” des Brennstoffs aufgrund plötzlicher Expansionen. Beim Anfahren führt Jetting zum Vermischen von Brennstoff- und Luftvolumina an der Brennstoff/Luftgrenze, was Wärme erzeugt und übermäßige Spannungen verursacht, und was ein Sicherheitsproblem verursacht aufgrund der brennbaren Eigenschaft der Mischung. Während des Betriebs mit einer konventionellen Verzweigungssystem-Konstruktion verursachen Übergangsbedingungen eine Brennstofffehlverteilung an den Brennstoffströmungseinlässen. Diese Fehlverteilung kann Brennstoffzellenleistungsverlust bewirken. Dem Verzweigungssystem dieser Erfindung wird jedoch eine gleichmäßige Strömung zu allen Brennstoffströmungsfeldeinlässen unter transienten Bedingungen aufrecht erhalten.
Das Brennstoffeinlassverzweigungssystem kann außer mit PEM-Brennstoffzellenstapel auch mit anderen Brennstoffzellenstapeln verwendet werden.

Claims

Brennstoffzellenstapel (11) mit einer Anordnung von benachbarten Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle ein Brennstoff-Strömungsfeld (12) mit einem Strömungsfeldeinlass hat und der Stapel ein Brennstoffzelleneinlass-Verzweigungssystem umfasst, aufweisend: einen Kaskadenbereich (15) mit einer Reihe von Stufen (17–23), wobei jede Stufe eine Fläche hat, die in Passagen (24–26) an entgegengesetzten Rändern der Fläche endet, wobei jede Passage jeder Stufe bis auf die letzte in der Reihe Brennstoff zu der Fläche einer nächsten Stufe in der Reihe leitet, wobei die Passagen der letzten Stufe in der Reihe Brennstoff auf eine Kaskadenauslassfläche (41) leiten, so dass Brennstoff in Dimensionen verteilt wird, die nicht parallel zu den Passagen sind; und einen offenen Hohlraum (46), der zwischen den Strömungsfeldeinlässen und der Kaskadenausgangsfläche (41) angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapel (11) mit einer Anordnung von benachbarten Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle ein Brennstoff-Strömungsfeld (12) mit einem Strömungsfeldeinlass hat, aufweisend: eine Einrichtung zum Liefern einer Brennstoffströmung von einer Quelle; eine Einrichtung (15) zum sukzessiven, im Wesentlichen gleichmäßigen Teilen der Strömung in zwei im Wesentlichen simultane Strömungen für eine Anzahl n von Malen, um n + 1 Strömungen bereitzustellen, wobei die Anzahl mindestens drei ist; und eine Einrichtung (41) zum Verteilen des Brennstoffs von den n + 1 Strömungen, um eine einzelne im Wesentlichen gleichförmige Strömung von Brennstoff für die Strömungsfeldeinlässe zu bieten.
Verfahren zum Bereitstellen von Brennstoff für einen Brennstoffzellenstapel (11) mit einer Anordnung von benachbarten Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle ein Brennstoff-Strömungsfeld (12) mit einem Strömungsfeldeinlass hat, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer Brennstoffströmung von einer Quelle; sukzessives, im Wesentlichen gleichmäßiges Teilen (15) der Brennstoffströmung in zwei im Wesentlichen simultane Strömungen für eine Anzahl n von Malen, um n + 1 Strömungen bereitzustellen, wobei die Anzahl mindestens drei ist; und Verteilen (41) des Brennstoffs von den n + 1 Strömungen, um eine einzelne im Wesentlichen gleichförmige Brennstoffströmung für die Strömungsfeldeinlässe bereitzustellen.
Ein Brennstoffzellenstapel (11) mit einer Anordnung an benachbarten Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle ein Brennstoff-Strömungsfeld (12) mit einem Strömungsfeldeinlass hat; aufweisend: eine Einrichtung zum Bereitstellen einer Brennstoffströmung von einer Quelle; eine Fläche (41) in einem Hohlraum (46) in Fluidverbindung mit den Strömungsfeldeinlässen; eine Mehrzahl von Öffnungen (26) in Fluidverbindung mit der Quelle, welche die Brennstoffströmung aufnehmen, wobei die Öffnungen Brennstoff im Wesentlichen rechtwinklig zu der Fläche (41) leiten, wodurch die Brennstoffströmung von jeder Öffnung die Richtung ändert und sich omnidirektional entlang der Fläche (41) durch den Hohlraum (46) und in die Strömungsfeldeinlässe verteilt.