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Diese
Erfindung betrifft allgemein eine Brennstoffzelle und insbesondere
eine Brennstoffzelle, die speziell positionierte Öffnungen
umfasst, um zu ermöglichen,
dass eine gesteuerte Menge an Anodenabgasströmung mit einer Kathodeneingangsgasströmung gemischt
werden kann, um eine Verbrennung in den Kathodenströmungskanälen zur Aufheizung
der Brennstoffzelle während
der Startphase vorzusehen.
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Wasserstoff
stellt einen sehr attraktiven Brennstoff dar, da er rein ist und
dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu
erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen
bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als eine Antriebs-
bzw. Energiequelle für
Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge sind effizienter und erzeugen
weniger Emissionen als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren
verwenden.
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Eine
Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung,
die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen
umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf und die Kathode nimmt
Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten,
um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen
gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen
reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode,
um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht
durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der
sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
Die Arbeit dient zum Betrieb des Fahrzeugs.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen
(PEMFC) stellen eine populäre
Brennstoffzelle für Fahrzeuge
dar. Eine PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran, wie
beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode
umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin
(Pt), getragen auf Kohlenstoffpartikeln und gemischt mit einem Ionomer.
Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der
Membran abgeschieden. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung,
der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine
Membranelektrodenanordnung (MEA). Die MEAs sind relativ teuer herzustellen
und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
Diese Bedingungen umfassen ein richtiges Wassermanagement wie auch
eine richtige Befeuchtung sowie eine Steuerung Katalysator schädigender
Bestandteile, wie beispielsweise Kohlenmonoxid (CO).
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Typischerweise
werden viele Brennstoffzellen in einen Brennstoffzellenstapel kombiniert,
um die gewünschte
Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel
für ein Kraftfahrzeug
zweihundert gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel
nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Strömung aus
Luft auf, die durch den Stapel über
einen Kompressor gedrängt
wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff in der Luft von dem Stapel
verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben,
das Wasser als ein Stapelnebenprodukt umfassen kann. Der Brennstoffzellenstapel
nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite
des Stapels strömt.
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Der
Brennstoffzellenstapel umfasst eine Serie bipolarer Platten, die
zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind.
Für den oben
erwähnten
Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel würde der Stapel etwa 400 bipolare
Platten umfassen. Die bipolaren Platten umfassen eine Anodenseite
und eine Kathodenseite für
benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. An der Anodenseite der
bipolaren Platten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen,
dass das Anodengas an die MEA strömen kann. An der Kathodenseite
der bipolaren Platten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen,
dass das Kathodengas an die MEA strömen kann. Die bipolaren Platten
bestehen aus einem leitenden Material, wie beispielsweise rostfreiem
Stahl, so dass sie die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem
Stapel heraus leiten können.
Die bipolaren Platten umfassen auch Strömungskanäle, durch ein Kühlfluid strömt.
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Bei
bestimmten Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle, wie beispielsweise
beim Start der Brennstoffzelle, beim Betrieb mit niedriger Leistung, beim
Betrieb bei niedriger Umgebungstemperatur, etc. soll ergänzende Wärme an die
Brennstoffzellen geliefert werden, um die Solltemperatur in dem Brennstoffzellenstapel
für die
Zwecke eines richtigen Wassermanagements wie auch der richtigen
Reaktionskinetik beizubehalten. Insbesondere müssen die MEAs eine richtige
Befeuchtung aufweisen, und die Zellen müssen eine Minimaltemperatur
haben, um effizient zu arbeiten.
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Die
Anodenstöchiometrie
ist während
des Brennstoffzellenbetriebs typischerweise größer als Eins, beispielsweise
1,02, so dass Wasserstoff richtig an die MEAs verteilt wird. Daher
ist allgemein überschüssiger oder
nicht gebrauchter Wasserstoff an einem Anodenaustrag verfügbar, der
richtig verteilt oder aufgenommen werden muss, da er brennbar ist. Es
ist in der Technik vorgeschlagen worden, dieses Anodenabgas mit
der Katho deneingangsluft zu kombinieren, um eine Verbrennung entweder
in den Anodenkanälen
oder den Kathodenkanälen
vorzusehen und damit die erwünschte
ergänzende
Wärme für Kaltstarts,
Betriebsbedingungen bei niedriger Temperatur oder niedriger Leistung,
Erwärmung
des Fahrgastraums, teilweise Befeuchtung des Kathodeneingangsgases,
etc. vorzusehen.
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Gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem offenbart,
das eine Strömung
aus Anodenabgas in die Kathodenseite der Brennstoffzellen vorsieht,
ohne dass zugelassen wird, dass sich die Anodenabgasströmung und
die Kathodeneingangsgasströmung
in einem großen
Volumen mischen können.
Bei einer Ausführungsform
erlauben strategisch positionierte Durchbrechungen in den MEAs,
dass das Anodenabgas an die Kathodenkanäle in der Nähe des Kathodeneinganges hindurchtreten
kann. Diese Durchbrechungen können
als eine Gruppierung kleiner Löcher
in einer MEA-Teildichtung oder einem MEA-Trägerrahmen vorgesehen sein.
Bei einer alternativen Ausführungsform
sind Öffnungen
durch die bipolaren Platten vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenabgas
in die Kathodenkanäle
strömen
kann. Diese Ausgestaltung erfordert eine spezielle Anodenhalbplatte
an einem Ende des Stapels, um die Öffnung vorzusehen.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
Schnittansicht eines Anteils eines Brennstoffzellenstapels, der
eine Öffnung
in einer MEA umfasst, die zulässt,
dass eine gesteuerte Menge an Anodenabgas in einen Kathodenkanal
strömen kann,
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
Schnittansicht eines Anteils eines Brennstoffzellenstapels, der
eine Öffnung
durch eine bipolare Platte umfasst, die ermöglicht, dass ein Anodenabgas
in einen Kathodenkanal strömen
kann, gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist; und
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3 eine
Schnittansicht eines Anteils eines Brennstoffzellenstapels, der
eine Öffnung
durch eine bipolare Platte umfasst, die ermöglicht, dass ein Anodenabgas
in einen Kathodenkanal strömen
kann, wobei die Anoden- und Kathodeneingangsgase in derselben Richtung
strömen,
gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
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Die
folgende Beschreibung der Ausführungsformen
der Erfindung, die auf eine Brennstoffzelle gerichtet ist, die Öffnungen
umfassen, um zu ermöglichen,
dass ein Anodenabgas mit einem Kathodeneingangsgas in einem Kathodenkanal
gemischt werden kann, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht
dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch
zu beschränken.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Brennstoffzellenkonstruktion dar,
die eine Strömung
von Anodenabgas in die Kathodenseite der Brennstoffzelle vorsieht,
um eine katalytische Verbrennung vorzusehen, ohne dass zugelassen
wird, dass sich das Anodenabgas und das Kathodengas in einem großen Volumen
mischen können.
Die vorliegende Erfindung verwendet kleine Kanäle, befeuchtete Bedingungen
wie auch die Wärmeentfernungsfähigkeiten des
Brennstoffzellenstapels, um eine sichere Umgebung für die gesteuerte
katalytische Verbrennung von Wasserstoff auf der Kathodensei te der
MEA vorzusehen. Durch Zufuhr des Anodenabgases direkt von einem
Ende der Anodenkanäle
durch eine Gruppierung kleiner Löcher,
die zu einigen oder allen der Kanäle auf der Kathodenseite der
Zelle führen,
ist es der Luft/Wasserstoff-Mischung nicht möglich, sich in einem großen Volumen
anzusammeln und auf der Platinoberfläche der Kathodenseite der MEA
zu reagieren. Folglich ist es für
den Stapel nicht erforderlich, eine Anodenabgassammelleitung für Verteiler
zu besitzen, da die gesamten nicht verbrauchten Anodenabgase den
Stapel mit dem Kathodenaustrag verlassen.
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Die
Brennstoffzellenkonstruktion der Erfindung ist passiv und erfordert
somit eine neuartige Betriebsvorgehensweise. Da jeglicher überschüssige Wasserstoff
kontinuierlich in die Kathode des Stapels zugeführt wird, ist eine Steuerung
dieser Strömung aus
Gründen
des Systemwirkungsgrades notwendig. Die Stapelbetriebstemperatur
kann grundsätzlich
in gewissem Maße
durch die Anodenstöchiometrie
und insbesondere die Menge an Überschusswasserstoff gesteuert
werden. Die Anodenstöchiometrie
wird ihrerseits durch den Druckunterschied zwischen dem Anodenaustrag
und dem Kathodeneingang gesteuert, so dass die Wechselwirkung zwischen
dem Anodendruck und dem Kathodendruck steuert, wie viel Anodenabgas
in die Kathodenkanäle
strömt.
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Normalerweise
kann eine Anodenstöchiometrie
von etwa 1,02 verwendet werden. Dies bedeutet, dass ein geringfügiger Überschuss
von Wasserstoff für
eine bestimmte Abgabeleistung vorgesehen wird, da die Verteilung
des Wasserstoffs auf der Membran nicht 100 %-ig ist. Daher verbleibt
nicht reagiereer Wasserstoff in dem Anodenaustrag. Dies bedeutet,
dass für
einen gegebenen Leistungspegel 2 % der Heizenergie des Wasserstoffs
in Abwärme auf
der Kathodenseite der Zelle umgewandelt werden. Durch stetiges Zuführen von
Anodenaustrag in den Kathodenstrom des Stapels kann die Menge an ergänzender
Wärme größtenteils
einzig durch Steuerung der Anodenstöchiometrie gesteuert werden. Diese
Methode kann angewendet werden, wenn zusätzliche Wärme zum Aufwärmen des
Stapels beim Start, zum Halten des Stapels auf einer minimalen Temperatur
bei niedrigen Umgebungstemperaturen und niedrigen Leistungspegeln,
zur Erwärmung
des Fahrgastraums, zum Abtauender Windschutzscheibe etc. erforderlich
ist.
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1 ist
eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle 10 in einem Brennstoffzellenstapel,
die die oben beschriebene Brennstoffzellenkonstruktion verwendet,
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Brennstoffzelle 10 umfasst eine
Hälfte
einer bipolaren Platte 12 auf der Anodenseite einer MEA 16 und
eine Hälfte
einer bipolaren Platte 14 auf der Kathodenseite der MEA 16.
Die MEA 16 umfasst eine Membran, auf der ein Katalysator
abgeschieden ist, so dass eine Katalysatorlage der MEA 16 zu
der anodenseitigen bipolaren Platte 12 weist und eine Katalysatorlage
der MEA 16 zu der kathodenseitigen bipolaren Platte 14 weist.
Eine Anodendiffusionsmediumlage 18 ist in Kontakt mit der Anodenseite
der MEA 16 positioniert, und eine Kathodendiffusionsmediumlage 20 ist
in Kontakt mit der Kathodenseite der MEA 16 positioniert.
Die Diffusionsmediumlagen 18 und 20 sind poröse Lagen,
die für
einen Gastransport zu der MEA 16 und für einen Wassertransport von
der MEA 16 weg sorgen. Die andere Seite der bipolaren Platte 12 ist
die Kathodenseite für
eine benachbarte Brennstoffzelle, und die andere Seite der bipolaren
Platte 14 ist die Anodenseite für die andere benachbarte Brennstoffzelle. Auch
können
die bipolaren Platten 12 und 14 Kühlfluidströmungskanäle umfassen.
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Zwischen
der Anodendiffusionsmediumlage 18 und der anodenseitigen
bipolaren Platte 12 ist ein Anodenströmungskanal 26 vorgesehen,
der eine Anodeneingangsgasströmung 28 (Wasserstoff)
aufnimmt, die in die Diffusionsmediumlage 18 strömt, um mit
dem Katalysator auf der Anodenseite der MEA 16 zu reagieren,
wie es in der Technik gut bekannt ist. Ähnlicherweise ist zwischen
der Diffusionsmediumlage 20 und der kathodenseitigen bipolaren Platte 14 ein
Kathodenkanal 30 vorgesehen, der eine Kathodengasströmung 32 (Luft)
durch einen Eingangsdurchlass 38 der bipolaren Platte 14 aufnimmt, die
in die Diffusionsmediumlage 20 strömt, um mit dem Katalysator
auf der Kathodenseite der MEA 16 zu reagieren. Die bipolaren
Platten 12 und 14 sind so ausgestaltet, dass sie
eine Serie parallel beabstandeter Anodenströmungskanäle 26 und Kathodenströmungskanäle 30 vorsehen.
Es sind geeignete Verteiler (nicht gezeigt) vorgesehen, um das Anodeneingangsgas
an den Eingang der Anodenströmungskanäle 26 zu
lenken und das Kathodeneingangsgas an den Eingang der Kathodenströmungskanäle 30 zu lenken,
wie es für
Fachleute gut bekannt ist.
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Gemäß der Erfindung
ist eine speziell ausgestaltete Öffnung 36 in
der MEA 16 entgegengesetzt dem Einlassende des Kanals 26 in
der Nähe
des Einlassdurchlasses 38 des Kanals 30 vorgesehen.
Daher wird jeglicher überschüssige oder
nicht reagierte Wasserstoff in einer befeuchteten Anodenabgasströmung 40,
der nicht in die Diffusionsmediumlage 18 absorbiert wird
und ansonsten von dem Stapel ausgetragen würde, durch die Öffnung 36 in
den Kathodenkanal 30 gedrängt. Die bipolare Platte 12 ist
so ausgestaltet, dass ein Anteil der Platte 12 die Anodenabgasströmung 40 durch
die Öffnung 36 lenkt. Die
befeuchtete Anodenabgasströmung 14 wird
mit der Kathodeneingangsgasströmung 32 kombiniert, um
eine befeuchtete Gasströmungsmischung 42 in dem
Kathodenkanal 30 vorzusehen. Die zusätzliche Befeuchtung, die durch
die befeuchtete Anodenabgasströmung 40 vorgesehen
wird, ist ausreichend, um den Bedarf nach externer Befeuchtung der
Kathodenströmung 38 zu
reduzieren oder zu beseitigen. Die Gasströmungsmischung 42 verbrennt
in dem Kathodenkanal 30 aufgrund der Wasserstoff/Luft-Mischung
und dem Kathodenkatalysator. Diese Verbrennung heizt die Brennstoffzelle 10 bei Betriebsbedingungen
mit niedriger Temperatur und dergleichen, wie oben beschrieben ist.
Daher fällt
die Temperatur des Brennstoffzellenstapels abhängig von den Steuerparametern
während
des Stapelbetriebs nicht unter eine bestimmte Temperatur. Die Mischung 42 der
nicht verbrannten Strömung
wird an einen Austragsverteiler (nicht gezeigt) geliefert, um durch
einen einzelnen Austragsdurchlass in dem Stapel ausgegeben zu werden.
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Da
der Durchmesser des Kanals 30 relativ klein ist, beispielsweise
1 mm, ist die Menge an Wärmeenergie
in der Wasserstoff/Luft-Mischung in dem Kathodenkanal 30 nicht
groß genug,
um die Diffusionsmediumlage 20 und/oder die MEA 16 zu
beschädigen,
solange die erzeugte Wärme
von dem Kühlmittel
weggeführt
werden kann. Ferner sieht ein kleiner Durchmesser des Kanals 30 einen
begrenzten Bereich vor, der die Verbrennung auf einer relativ niedrigen
Temperatur hält,
indem eine schnelle Wärmeentfernung
vorgesehen wird. Die Größe des Kanals 30 kombiniert
mit den befeuchteten Gasen und der verdünnten Mischung wie auch der
Wärmeentfernungsfähigkeit
der Zellenkonstruktion minimiert die Gefahr einer unkontrollierten
Verbrennung. Auch ist es nicht nötig,
einen Anodenabgasverteiler vorzusehen, um das Anodenabgas zu sammeln,
da dies insgesamt an die Kathodenkanäle 30 geliefert wird
und jeglicher nicht verbrannter Wasserstoff durch den Kathodenabgasausgang
ausgegeben wird.
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Die Öffnung 36 durch
die MEA 16 stellt eine allgemeine Darstellung der verschiedenen
Orte und Konstruktionen für
eine geeignete Öffnung
innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung dar. Beispielsweise
kann die Öffnung 36 an
einem Ort an der MEA 16 angeordnet sein, der keinen Katalysator umfasst,
so dass die Verbrennung nicht um die Ränder der Öffnung 36 herum erfolgt.
Bei einer Ausführungsform
strömt
die Abgasströmung 40 durch
eine Gruppierung kleiner Löcher
für alle
parallelen Kanäle in
einer MEA-Teildichtung oder einem MEA-Trägerrahmen. Auch kann die Öffnung 36 ein
Schlitz sein, der sich über
alle Kanäle
für die
MEA 16 erstreckt. Ferner ist der Durchmesser der Öffnung 36 so
ausgebildet, dass der gewünschte
Druckabfall über
die Anodeneingangsöffnung
vorgesehen wird.
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2 ist
eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle 50 in einem Brennstoffzellenstapel
gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Brennstoffzelle 50 umfasst
eine erste MEA 52 und eine Anodendiffusionsmediumlage 54, die
benachbart dazu vorgesehen ist. Ferner umfasst die Brennstoffzelle 50 eine
zweite MEA 56 und eine Kathodendiffusionsmediumlage 58,
die benachbart dazu vorgesehen ist, so dass die Diffusionsmediumlagen 54 und 58 einander
gegenüberliegen.
Zwischen den MEAs 52 und 56 ist eine bipolare
Platte 60 angeordnet, die Kühlkanäle 62 umfasst, wie
gezeigt ist. Ein Anodenkanal 66 ist zwischen der Anodendiffusionsmediumlage 54 und
der bipolaren Platte 60 vorgesehen, und ein Kathodenkanal 68 ist
zwischen der Kathodendiffusionsmediumlage 58 und der bipolaren
Platte 60 vorgesehen, wie gezeigt ist. Eine befeuchtete
Anodengasströmung 72 strömt durch
den Kanal 66 und wird durch die Diffusionsmediumlage 54 verteilt,
um mit dem Katalysator auf der Kathodenseite der MEA 52 zu
reagieren. Ähnlicherweise strömt eine
Kathodeneingangsgasströmung 76 durch eine Öffnung 78 eines
Verteilerabschnittes 80 in den Kathodenkanal 68,
in dem sie durch die Diffusionsmediumlage 58 verteilt wird,
um mit dem Katalysator auf der MEA 56 zu reagieren.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
der Erfindung ist zwischen einem Ende der bipolaren Platte 60 und
dem Verteilerabschnitt 80 eine Öffnung 82 vorgesehen,
so dass eine Anodenabgasströmung 84,
die nicht in die Diffusionsmediumlage 54 verteilt wird,
durch die Öffnung 82 strömt und sich
mit dem Kathodeneingangsgas 76 kombiniert, um eine Strömung 86 einer
Anodenabgas- und Kathodeneingangsgasmischung in dem Kanal 68 vorzusehen.
Da die Strömung
von überschüssigem Wasserstoff
relativ zu dem Gesamtaustrag von den Hunderten anderer Brennstoffzellen
in dem Stapel sehr klein ist, wird er leicht auf ein sicheres Niveau
verdünnt.
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3 ist
eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle 90, die benachbart
der Brennstoffzelle 50 in einem Brennstoffzellenstapel
positioniert ist, gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche
Elemente in den oben beschriebenen Ausführungsformen bezeichnen. Bei
dieser Ausführungsform
strömen
die Anoden- und Kathodeneingangsgase in derselben Richtung. Die
Brennstoffzelle 90 umfasst eine MEA 92, eine bipolare
Platte 94, die Strömungskanäle 96 umfasst,
wie auch Diffusionsmediumlagen 98 und 100. Ein
Anodenströmungskanal 102 nimmt
eine Anodengasströmung 104 auf,
und ein Kathodenströmungskanal 106 nimmt
eine Kathodengasströmung auf
und gibt einen kombinierten Anoden- und Kathodenaustrag 108 aus.
Diese Ausführungsform
erfordert eine etwas kompliziertere Plattenkonstruktion, da Verteiler
(nicht gezeigt) für
sowohl die Anoden- als auch Kathodeneinlassdurchlässe an beiden
Enden jeder bipolaren Platte 60 und 94 und Verteiler
(nicht gezeigt) für
sowohl die Anoden- als auch Kathodenaustragsdurchlässe an beiden
Enden jeder bipolaren Platte 60 und 94 vorgesehen
werden müssen.
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Eine
vereinfachte Beschreibung der Steuerung durch die oben beschriebene
Bipolplattenkonstruktion kann auf den Kathodeneinlassdruck und den Anodenaustragsdruck
reduziert werden. Diese beiden Drücke bestimmen, wie viel Anodenabgas
in die Kanäle
an die Kathodenseite jeder Brennstoffzelle strömt. Die Faktoren, die diese
beiden Drücke
bestimmen, sind der Anoden- und Kathodendurchsatz, die Anoden- und
Kathodenkanalgeometrie, der Gegendruck des Austragspfades wie auch
die Verbrauchsrate der Reaktanden. Die Steuervorgehensweisen sind
für jede
der Ausführungen
geringfügig verschieden,
erfordern jedoch alle grundsätzlich
die Steuerung der Differenz zwischen dem Anodenaustragsdruck und
dem Kathodeneinlassdruck.
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Ein
Beispiel einer Steuervorgehensweise für einen Niedertemperaturstart
gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst, dass zunächst
die Kathoden- und
Anodeneingangsströmungen
mit einer Rate gestartet werden, die ausreichend ist, um die an
den Brennstoffzellenstapel angelegte elektrische Last zu unterstützen, und
gleichzeitig oder nach einer geringfügigen Verzögerung Überschuss-Kathoden- und Anodengasströmungseingänge bis
zu etwa 10 Vol.-% Wasserstoff vorgesehen werden, um eine sehr arme Verbrennung
des überschüssigen Wasserstoffs
auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle bei einer Wärmeabgaberate
zu unterstützen,
die ausreichend ist, den Brennstoffzellenstapel innerhalb einer
vernünftigen
Zeitdauer ohne Überhitzung
der Zellen zu erwärmen.
Wenn die Temperatur der Brennstoffzellen ansteigt, kann die Überschuss-Kathoden-
und Anodengasströmung
verringert werden, um eine Überhitzung
zu vermeiden. Die Steuerung der Kühlmittelströmung kann auch dazu verwendet
werden, das Aufwärmen
der Zellen zu steuern und/oder ein schnelleres Aufwärmen des
Brennstoffzellensystems und/oder eine Erwärmung des Fahrgastraumes vorzusehen.
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Wie
oben beschrieben ist, können,
wenn die Brennstoffzelle mit sehr geringen Lasten betrieben wird,
Wärmeverluste
erfordern, dass der Brenn stoffzellenstapel erhitzt werden muss,
um eine gewünschte
Betriebstemperatur beizubehalten. Um den Brennstoffzellenstapel
unter Verwendung der oben beschriebenen Heiztechniken innerhalb
der bevorzugten Betriebstemperatur zu halten, ist eine Erhöhung der
Anoden- und Kathodendurchsätze
um Größen, die
ausreichend sind, um eine sehr arme Verbrennung, bis zu etwa 10
Vol.-% Wasserstoff vorzusehen, und mit einer Wärmeabgaberate erforderlich,
die ausreichend ist, um die Brennstoffzelle innerhalb einer vernünftigen
Zeitdauer ohne Überhitzung der
Zellen aufzuwärmen.
Wenn die Temperatur der Brennstoffzellen ansteigt, können die Überschuss- Kathoden-
und Anodenströmungen
verringert werden, um ein Überhitzen
der Zellen zu verhindern. Zusätzlich
kann die Kühlmittelströmung dazu
verwendet werden, die Rate des Aufwärmens zu steuern und/oder eine
Technik für
eine zusätzliche
Erwärmung
des Fahrgastraumes vorzusehen.
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Zusammengefasst
sieht ein Brennstoffzellensystem eine Strömung von Anodenabgas in die Kathodenseite
der Brennstoffzellen vor, ohne dass zugelassen wird, dass sich die
Anodenabgasströmung
und die Kathodeneingangsströmung
in einem großen
Volumen mischen können.
Bei einer Ausführungsform
ermöglichen
strategisch positionierte Durchbrechungen in den MEAs, dass das
Anodenabgas an die Kathodenkanäle
in der Nähe
des Kathodeneingangs hindurchdringen kann. Diese Durchbrechungen
können
als eine Gruppierung kleiner Löcher in
der MEA-Teildichtung oder einem MEA-Trägerrahmen vorgesehen sein.
Bei einer alternativen Ausführungsform
sind Öffnungen
durch die bipolaren Platten vorgesehen, um zu ermöglichen,
dass das Anodenabgas in die Kathodenkanäle strömen kann. Diese Ausgestaltung
erfordert eine spezielle Anodenhalbplatte an einem Ende des Stapels,
um die Öffnung
vorzusehen.