DE102005045319A1 - Brennstoffzellenkonstruktion und Steuerverfahren zur Erleichterung einer Selbstaufheizung durch katalytische Verbrennung von Anodenabgas - Google Patents

Brennstoffzellenkonstruktion und Steuerverfahren zur Erleichterung einer Selbstaufheizung durch katalytische Verbrennung von Anodenabgas Download PDF

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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem sieht 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.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • 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;
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (40)

  1. Brennstoffzelle mit: einer ersten bipolaren Platte; einer zweiten bipolaren Platte; und einer MEA, die zwischen der ersten und zweiten bipolaren Platte angeordnet ist, um so einen Anodenkanal zwischen der ersten bipolaren Platte und der MEA und einen Kathodenkanal zwischen der zweiten bipolaren Platte und der MEA zu definieren, wobei der Anodenkanal eine Anodeneingangsgasströmung aufnimmt und der Kathodenkanal eine Kathodeneingangsgasströmung aufnimmt, wobei die MEA zumindest eine Öffnung umfasst, die eine Anodenabgasströmung von dem Anodenkanal an den Kathodenkanal führt, um eine Anodenabgas- und Kathodeneingangsgasmischung vorzusehen, die in dem Kathodenkanal verbrennt.
  2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei sich die zumindest eine Öffnung an einem Ort auf der MEA befindet, die keinen Katalysator umfasst.
  3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Öffnung eine Gruppierung kleiner Löcher für eine Vielzahl paralleler Anodenkanäle und Kathodenkanäle ist.
  4. Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei die Gruppierung kleiner Löcher in einer MEA-Teildichtung oder einem MEA-Trägerrahmen ausgebildet ist.
  5. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Öffnung ein Schlitz ist, der sich über eine Vielzahl paralleler Anodenkanäle und Kathodenkanäle erstreckt.
  6. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Anodeneingangsgasströmung durch den Anodenkanal in einer Richtung entgegengesetzt zu der Kathodeneingangsgasströmung durch den Kathodenkanal erfolgt.
  7. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Anodeneingangsgasströmung durch den Anodenkanal in der gleichen Richtung wie die Kathodeneingangsgasströmung durch den Kathodenkanal erfolgt.
  8. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Kathodenkanal einen Durchmesser von etwa 1 mm besitzt.
  9. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzelle mit einer Anodenstöchiometrie von etwa 1,02 arbeitet.
  10. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzelle Teil eines Brennstoffzellenstapels ist.
  11. Brennstoffzelle nach Anspruch 10, wobei sich der Brennstoffzellenstapel an einem Fahrzeug befindet.
  12. Brennstoffzellensystem mit: einer ersten MEA und einer zweiten MEA; einer bipolaren Platte, die zwischen der ersten und zweiten MEA positioniert ist, um so einen Anodenkanal zwischen der ersten MEA und der bipolaren Platte und einen Kathodenkanal zwischen der zweiten MEA und der bipolaren Platte zu definieren, wobei der Anodenkanal eine Anodeneingangsgasströmung aufnimmt und der Kathodenkanal eine Kathodeneingangsgasströmung aufnimmt; und zumindest einer Öffnung benachbart zu einem Ende der bipolaren Platte, wobei die zumindest eine Öffnung ermöglicht, dass ein Anodenabgas von dem Anodenkanal in den Kathodenkanal zur Kombination mit der Kathodeneingangsgasströmung strömen kann, um eine Anodenabgas- und Kathodeneingangsgasmischung vorzusehen, die in dem Kathodenkanal verbrennt.
  13. Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei die zumindest eine Öffnung eine Gruppierung kleiner Löcher für eine Vielzahl paralleler Anodenkanäle und Kathodenkanäle ist.
  14. Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei die zumindest eine Öffnung ein Schlitz ist, der sich über eine Vielzahl paralleler Anodenkanäle und Kathodenkanäle erstreckt.
  15. Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei die Anodeneingangsgasströmung durch den Anodenkanal in einer Richtung entgegengesetzt zu der Kathodeneingangsgasströmung durch den Kathodenkanal erfolgt.
  16. Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei die Anodeneingangsgasströmung durch den Anodenkanal in der gleichen Richtung wie die Kathodeneingangsgasströmung durch den Kathodenkanal erfolgt.
  17. Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei der Kathodenkanal einen Durchmesser von etwa 1 mm besitzt.
  18. Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei die Brennstoffzelle mit einer Anodenstöchiometrie von etwa 1,02 arbeitet.
  19. Brennstoffzelle nach Anspruch 18, wobei die Brennstoffzelle Teil eines Brennstoffzellenstapels ist.
  20. Brennstoffzelle nach Anspruch 19, wobei sich der Brennstoffzellenstapel an einem Fahrzeug befindet.
  21. Brennstoffzellenstapel mit: einer Vielzahl bipolarer Platten; einer Vielzahl von MEAs, wobei die Vielzahl bipolarer Platten und MEAs in einer abwechselnden Ausgestaltung in dem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind, wobei die Vielzahl bipolarer Platten und MEAs eine Vielzahl von Anodenkanälen und Kathodenkanälen dazwischen definieren, wobei die Anodenkanäle eine Anodeneingangsgasströmung aufnehmen und die Kathodenkanäle eine Kathodeneingangsgasströmung aufnehmen; und zumindest einer Öffnung, die eine Anodenabgasströmung von zumindest einem Anodenkanal in zumindest einen Kathodenkanal führt, um eine Anodenabgas- und Kathodeneingangsgasmischung vorzusehen, die in dem Kathodenkanal verbrennt.
  22. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 21, wobei die zumindest eine Öffnung eine Öffnung in einer MEA ist.
  23. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 21, wobei die zumindest eine Öffnung eine Öffnung in einer bipolaren Platte ist.
  24. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 21, wobei die zumindest eine Öffnung eine Gruppierung kleiner Löcher für eine Vielzahl von Anodenkanälen und Kathodenkanälen ist.
  25. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 24, wobei die Gruppierung kleiner Löcher in einer MEA-Teildichtung oder einem MEA-Trägerrahmen ausgebildet ist.
  26. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 21, wobei die zumindest eine Öffnung einen Schlitz darstellt, der sich über eine Vielzahl paralleler Anodenkanäle und Kathodenkanäle erstreckt.
  27. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 21, wobei die Kathodenkanäle einen Durchmesser von etwa 1 mm besitzen.
  28. Verfahren zum Steuern einer Temperatur von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Vielzahl von Anodenkanälen und eine Vielzahl von Kathodenkanälen umfasst, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Anodeneingangsgas durch die Anodenkanäle strömt; ein Kathodeneingangsgas durch die Kathodenkanäle strömt; ein Anodenabgas von den Anodenkanälen an die Kathodenkanäle innerhalb der Brennstoffzellen strömt, um eine brennbare Anodenabgas- und Kathodeneingangsgasmischung in den Kathodenkanälen vorzusehen; und die Anodenabgas- und Kathodeneingangsgasmischung in den Kathodenkanälen verbrannt wird, um die Brennstoffzellen zu heizen.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Strömen eines Anodenabgases von den Anodenkanälen zu den Kathodenkanälen umfasst, dass ein Anodenabgas von den Anodenkanälen an die Kathodenkanäle durch eine Öffnung in einer MEA in den Brennstoffzellen strömt.
  30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei sich die Öffnung in der MEA an einem Abschnitt der MEA befindet, der keinen Katalysator umfasst.
  31. Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Strömen eines Anodenabgases von den Anodenkanälen an die Kathodenkanäle umfasst, dass ein Anodenabgas von den Anodenkanälen an die Kathodenkanäle durch bipolare Platten in den Brennstoffzellen strömt.
  32. Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Strömen eines Anodenabgases von den Anodenkanälen an die Kathodenkanäle umfasst, dass ein Anodenabgas von den Anodenkanälen an die Kathodenkanäle durch eine Gruppierung kleiner Löcher für eine Vielzahl von Anodenkanälen und Kathodenkanälen strömt.
  33. Verfahren nach Anspruch 28, ferner umfassend, dass wahlweise eine Überschussmenge des Anodeneingangsgases und des Kathodeneingangsgases strömt, so dass mehr Anodenabgas und Kathodeneingangsgas für die Anodenabgas- und Kathodeneingangsgasmischung verfügbar ist, um eine gesteigerte Verbrennung vorzusehen.
  34. Verfahren nach Anspruch 33, ferner umfassend, dass die Strömung des überschüssigen Anodeneingangsgases und Kathodeneingangsgases verringert wird, sobald die Temperatur der Brennstoffzellen eine vorbestimmte Temperatur erreicht.
  35. Verfahren nach Anspruch 33, wobei das überschüssige Anodeneingangsgas etwa 10 % mehr Wasserstoff über die Anforderungen für eine bestimmte Energielast hinaus beträgt.
  36. Verfahren nach Anspruch 33, wobei das überschüssige Anodeneingangsgas und Kathodeneingangsgas wahlweise bei einem Start des Brennstoffzellenstapels vorgesehen werden.
  37. Verfahren nach Anspruch 33, wobei das überschüssige Anodeneingangsgas und das Kathodeneingangsgas wahlweise bei einem Niedriglastbetrieb vorgesehen werden, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels unterhalb einer vorbestimmten Betriebstemperatur liegt.
  38. Verfahren nach Anspruch 33, wobei das wahlweise Strömen von überschüssigem Anoden- und Kathodeneingangsgas umfasst, dass das überschüssige Anoden- und Kathodeneingangsgas strömt, um eine Erwärmung des Fahrgastraumes vorzusehen.
  39. Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Strömen eines Anodeneingangsgases durch die Anodenkanäle und das Strömen eines Kathodeneingangsgases durch die Kathodenkanäle umfasst, dass das Anodeneingangsgas und das Kathodeneingangsgas in derselben Richtung strömen.
  40. Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Strömen eines Anodeneingangsgases durch die Anodenkanäle und das Strömen eines Kathodeneingangsgases durch die Kathodenkanäle umfasst, dass das A nodeneingangsgas und das Kathodeneingangsgas in entgegengesetzten Richtungen strömen.
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