DE102006017943B4

DE102006017943B4 - Brennstoffzellenanordnung mit einer Strömungsverteilungsanordnung

Info

Publication number: DE102006017943B4
Application number: DE102006017943.9A
Authority: DE
Inventors: Volker Formanski; Peter Kilian; Thomas Herbig; Marc Becker; Peter Willimowski
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2006-04-18
Publication date: 2016-10-20
Anticipated expiration: 2026-04-19
Also published as: US7829231B2; DE102006017943A1; US20100304261A1; US20060240308A1; US8568937B2

Abstract

Brennstoffzellenanordnung (200, 300) mit einer Strömungsverteilungsanordnung (202, 302), wobei die Strömungsverteilungsanordnung (202, 302) umfasst:
einen ersten Satz von Strömungskanälen (210, 310), der zu einer Anode zur Verteilung eines Brennstoffreaktanden an die Anode weist;
einen zweiten Satz von Strömungskanälen (212, 312), der zu einer Kathode zur Verteilung eines Oxidationsmittels an die Kathode weist;
einen dritten Satz von Strömungskanälen (218, 318) in Strömungsverbindung mit dem zweiten Satz von Strömungskanälen (212, 312), wobei der dritte Satz von Strömungskanälen (218, 318) in Wärmeübertragungsbeziehung mit der Anode und/oder der Kathode steht, das Oxidationsmittel stromaufwärts des zweiten Satzes von Strömungskanälen (212, 312) aufnimmt und das Oxidationsmittel nach einem Wärmeaustausch mit der Anode und/oder der Kathode an den zweiten Satz von Strömungskanälen (212, 312) liefert; und
einen vierten Satz von Strömungskanälen (214, 314), der ein Kühlmittelfluid aufnimmt, das von dem Oxidationsmittel verschieden ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die Befeuchtung und Kühlung eines Brennstoffzellenenergiesystems und insbesondere eine Vorrichtung für die integrierte Befeuchtung und Kühlung einer Brennstoffzelle.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellenenergiesysteme wandeln einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel in Elektrizität um. Ein derartiges Brennstoffzellenenergiesystem besitzt eine Protonenaustauschmembran (nachfolgend als ”PEM” bezeichnet), um die Reaktion von Brennstoffen (wie Wasserstoff) und Oxidationsmitteln (wie Sauerstoff oder Luft) in Elektrizität katalytisch zu unterstützen. Die PEM ist ein Festpolymerelektrolyt, der eine Übertragung von Protonen von der Anode zu der Kathode in jeder einzelnen Brennstoffzelle des Stapels aus Brennstoffzellen, die in einem Brennstoffzellenenergiesystem vorhanden sind, unterstützt.
Bei einer typischen Brennstoffzellenanordnung oder einem typischen Brennstoffzellenstapel besitzt jede Brennstoffzelle Strömungsfelder in Fluidverbindung mit Verteilern, die Kanäle für die verschiedenen Reaktandengase zur Strömung in jede Zelle vorsehen. Gasdiffusionsanordnungen verteilen dann die Reaktanden von den Strömungsfeldern an die reaktive Anode und Kathode einer Membranelektrodenanordnung (nachfolgend auch als ”MEA” bezeichnet).
Ein effektiver Betrieb einer PEM-Brennstoffzelle erfordert eine richtige Befeuchtung der PEM, um ihre Protonenleitfähigkeit aufrechtzuerhalten. Gleichzeitig müssen die Strömungsfeldkanäle und Gasdiffusionsanordnungen in nicht gefluteten Betriebszuständen gehalten werden. Im Betrieb wird das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert, wo es mit Wasserstoffkationen, die die PEM durchquert haben, und Elektronen von einer externen Schaltung reagiert. Die Brennstoffzelle erzeugt sowohl Elektrizität als auch Wasser durch die elektrochemische Reaktion. Das Wasser wird typischerweise mit dem Kathodenabfluss entfernt, was die PEM dehydrieren kann, wenn das Wasser nicht anderweitig ersetzt wird. Es sei angemerkt, dass die Verdampfungsrate zu der Kathode allgemein größer als die Rate der Wassererzeugung ist.
Im befeuchteten Zustand besitzt die polymere PEM ”saure” Eigenschaften, die ein Medium zum Leiten von Protonen von der Anode zu der Kathode der Brennstoffzelle vorsehen. Jedoch wird, wenn die PEM nicht ausreichend befeuchtet ist, der ”saure” Charakter verringert und kann die gewünschte elektrochemische Reaktion der Zelle beeinträchtigen. Eine Hydrierung der PEM unterstützt auch die Temperatursteuerung in der Brennstoffzelle insofern, als die Wärmekapazität von Wasser eine Wärmesenke darstellt. Zusätzlich zu den Problemen des Wassergleichgewichts und der Zellenbefeuchtung besteht ein anderes Problem bei der Brennstoffzellenkonstruktion auch in der effizienten Verwendung von Raum. Beispielsweise ist Raum in einem Fahrzeug kostbar, und Konstruktionen, die die fortwährende Verwendung von Raum in dem Fahrzeug minimieren, steigern deutlich die Verwendbarkeit des Fahrzeugs; dies führt in Richtung einer Integration des Befeuchtungssystems in jede der Brennstoffzellen.
Die DE 10 2005 055 043 A1 offenbart eine Brennstoffzellenanordnung, die einen ersten Strömungskanal für einen ersten Reaktanden, einen zweiten Strömungskanal für einen zweiten, von dem ersten Reaktanden verschiedenen Reaktanden, einen dritten Strömungskanal für ein erstes Kühlmedium und einen vierten Strömungskanal für ein zweites, von dem ersten Kühlmedium verschiedenes Kühlmedium umfasst. Zumindest ein Reaktandenströmungskanal steht über Durchführungen in der Kanalwand mit einem der Kühlmittelströmungskanäle in Verbindung, so dass der zugehörige Recktand zusätzlich als Kühlmittel dient.
Die EP 1 435 671 A1 betrifft einen Brennstoffzellenstapel, der eine Membranelektrodenanordnung und eine Separatoreinheit umfasst. Die Separatoreinheit ist aus zwei strukturierten Platten gebildet, welche Nuten mit unterschiedlicher Tiefe umfassen. Die Platten sind aufeinander gestapelt, um dadurch Hohlräume zwischen den Wänden der Nuten bereitzustellen. Die Nuten an jeder Oberfläche der Separatoreinheit können als Reaktandenströmungskanäle verwendet werden, während die Hohlräume ein Kühlmedium aufnehmen können und somit als Kühlmittelströmungskanäle dienen.
In der DE 10 2004 043 513 A1 ist eine Brennstoffzelle offenbart, die ein Membranelektrodenpaar und eine Bipolarplattenanordnung aufweist, wobei die Bipolarplattenanordnung eine erste und eine zweite Unterplatte aufweist. Durch Ineinanderschachteln der beiden Unterplatten werden sowohl Reaktandenströmungskanäle als auch Kühlmittelströmungskanäle gebildet. Das Kühlmittel wird über eine separate Kühlmittelzufuhrleitung an die Kühlmittelströmungskanäle geliefert.
Die DE 100 36 916 A1 offenbart ein Befeuchtungssystem für einen Brennstoffzellenstapel, das eine Wasserzufuhrleitung umfasst, welche mehrere Öffnungen zum Zuführen von Wasser in einen Reaktionskanal aufweist.
Es besteht nach wie vor ein Bedarf nach einem effizienten Betrieb wie auch einer größeren Integration der Kühlung und Befeuchtung, um eine effiziente Raumverwendung in Brennstoffzellensystemen zu erreichen. Es wird ein Brennstoffzellenenergiesystem benötigt, das eine integrierte Befeuchtung der Zufuhrgase (insbesondere des Oxidationsmittels) und der Kühlung der MEA vorsieht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf eine Brennstoffzelle gerichtet, die eine Membranelektrodenanordnung in reaktiver Schnittstelle mit (1) einer Vielzahl von Strömungskanälen für Oxidationsmittelreaktand, die einen Oxidationsmittelreaktanden aufnehmen und führen, und (2) einer Vielzahl von Strömungskanälen für Brennstoffreaktand aufweisen, die einen Brennstoffreaktanden aufnehmen und führen. Die Brennstoffzelle umfasst eine Vielzahl von Oxidationsmittelkühlmittelkanälen, die jeweils bevorzugt über die Länge der reaktiven Schnittstelle in thermischer Schnittstelle mit einer MEA stehen. Bevorzugt steht jeder Oxidationsmittelkühlmittelkanal auch in Strömungsverbindung mit einem jeweiligen Kathodenreaktandenströmungskanal. Eine zweiphasige Luftzufuhr, die vernebeltes Wasser und Luft enthalten kann, ist für jeden Oxidationsmittelkühlmittelkanal vorgesehen. Das vernebelte Wasser befeuchtet die Luft unter Verwendung von Wärme von der Brennstoffzelle. Befeuchtete Luft wird von dem Auslass des Oxidationsmittelkühlmittelkanals ausgetragen, um ein befeuchtetes Oxidationsmittel für den Kathodenreaktandenkanal vorzusehen.
Erfindungsgemäß ist eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Strömungsverteilungsanordnung - auch bipolare Platte (202, 302) - vorgesehen, wobei die Strömungsverteilungsanordnung einen ersten Satz von Strömungskanälen, der zu einer Anode zur Verteilung eines Brennstoffreaktanden an die Anode weist, einen zweiten Satz von Strömungskanälen, der zu einer Kathode zur Verteilung eines Oxidationsmittels an die Kathode weist, einen dritten Satz von Strömungskanälen in Strömungsverbindung mit dem zweiten Satz von Strömungskanälen, wobei der dritte Satz von Strömungskanälen in Wärmeübertragungsbeziehung mit der Anode und/oder der Kathode steht, das Oxidationsmittel stromaufwärts des zweiten Satzes von Strömungskanälen aufnimmt und das Oxidationsmittel nach einem Wärmeaustausch mit der Anode und/oder der Kathode an den zweiten Satz von Strömungskanälen liefert, und einen vierten Satz von Strömungskanälen umfasst, der ein Kühlmittelfluid aufnimmt, das von dem Oxidationsmittel verschieden ist.
Bei einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Erfindung eine Vielzahl von Kühlmittelströmungskanälen benachbart zu den Reaktandenströmungskanälen und der MEA vor. Die Kühlmittelströmungskanäle sind so positioniert, dass sie eine Wärmeschnittstellenfläche benachbart der MEA vorsehen. Bevorzugt besitzt jeder Kühlmittelströmungskanal eine längliche Achse in paralleler Ausrichtung mit der länglichen Achse des benachbarten Reaktandenströmungskanals über die Länge der reaktiven Schnittstelle der Brennstoffzelle. Bei einer Ausführungsform transportiert die Vielzahl von Kühlmittelströmungskanälen ein dielektrisches flüssiges Kühlmittel.
Bei einer anderen Ausgestaltung werden das Oxidationsmittelkühlmittel und das flüssige dielektrische Kühlmittel gemeinsam in separaten Kühlmittelkanälen verwendet.
Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kühlt ein Oxidationsmittelkühlkanal die Brennstoffzelle, während Wasser von dem Flüssigkühlmittelkanal über ein Wassertransportmedium aufgenommen wird. Das Wasser befeuchtet das Oxidationsmittel, bevor es in den Kathodenreaktandenkanal eintritt.
Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffprozessor, der ein Reformatgas für die Brennstoffzelle aus einer Kohlenwasserstoffbrennstoffzufuhr, einer Reformerwasserzufuhr und einer Reformerluftzufuhr herstellt. Der Brennstoffprozessor und die Brennstoffzelle werden durch einen Computer gesteuert, der Wasserströmungen zur Befeuchtung der Brennstoffzelle ausgleicht.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen offensichtlicher, wobei:
1 ein Brennstoffzellenenergiesystem mit einer Wassermanagementinstrumentierung und -steuerung zeigt;
2 eine schematische isometrische Explosionsdarstellung eines beispielhaften flüssigkeitsgekühlten PEM-Brennstoffzellenstapels ist (hier sind nur zwei Zellen gezeigt);
3 eine teilweise geschnittene Explosionsdarstellung einer PEM-Brennstoffzellenanordnung nach dem Stand der Technik ist;
4 eine teilweise geschnittene Explosionsdarstellung einer PEM-Brennstoffzellenanordnung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
5A und 5B teilweise geschnittene Explosionsdarstellungen einer PEM-Brennstoffzellenanordnung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind; und
5 eine teilweise isometrische Ansicht von 5B ist, die ein Trägerelement gemäß der dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst ein Brennstoffzellenenergiesystem 10 einen Brennstoffzellenstapel 22. Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Reformat von einer Wasserstoffquelle 21, die Wasserstoff durch die Anodenkammer des Brennstoffzellenstapels 22 zuführt. Gleichzeitig wird Sauerstoff in der Form von Luft in einem Oxidationsmittelstrom 24 von einem Kompressor oder einem Gebläse 12 in die Kathodenkammer des Brennstoffzellenstapelsystems 22 durch einen Durchgang 18 zugeführt. Der Wasserstoff von dem Wasserstoffstrom 20 und der Sauerstoff von dem Sauerstoffstrom 24 reagieren in dem Brennstoffzellenstapel 22, um Elektrizität zu erzeugen. Der Wasserstoff oder das wasserstoffhaltige Reformat können von einem Wasserstoffspeicherbehälter geliefert werden oder können durch einen Brennstoffprozessor erzeugt werden, wie es in der Technik bekannt ist.
Ein Anodenaustrag (oder -abfluss) 26 von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 22 enthält auch einigen nicht reagierten Wasserstoff. Ein Kathodenaustrag (oder -abfluss) 28 von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapelsystems 22 kann einigen nicht reagierten Sauerstoff enthalten. Diese nicht reagierten Gase repräsentieren zusätzlich Energie, die optional in einem Brenner 30 in der Form von Wärmeenergie für verschiedene Wärmeanforderungen innerhalb des Energiesystems 10 rückgewonnen werden kann.
Genauer werden ein Kohlenwasserstoffbrennstoff 32 und/oder ein Anodenabfluss 26 katalytisch oder thermisch in dem Brenner 30 mit Sauerstoff entweder aus der Luft im Strom 34 oder aus dem Kathodenabflussstrom 28 abhängig von den Betriebsbedingungen des Energiesystems 10 verbrannt. Der Brenner 30 trägt einen Abgasstrom 36 an die Umgebung aus, und Wärme, die dadurch erzeugt wird, kann nach Bedarf an einen Brennstoffprozessor oder andere Systemkomponenten geliefert werden.
Ein Kühlmittel wird an den Brennstoffzellenstapel 22 an dem Einlass 88 geliefert und verlässt diesen durch den Durchgang 90. Eine Pumpe 89 und ein Wärmetauscher 91 sind vorgesehen, um eine kontinuierliche Strömung von Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel vorzusehen.
Wie in 2 gezeigt ist, ist ein teilweiser PEM-Brennstoffzellenstapel 50 mit einem Paar von Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 52, 54 gezeigt, die voneinander durch eine nicht poröse elektrisch leitende bipolare Platte 56 getrennt sind. Jede MEA 52, 54 besitzt eine Kathodenseite 52c, 54c und eine Anodenseite 52a, 54a. Die MEAs 52, 54 und die bipolare Platte 56 sind zwischen nicht porösen elektrisch leitenden flüssigkeitsgekühlten Endplatten 58, 60 aneinander gestapelt. Jede Platte 56, 58, 60 umfasst ein jeweiliges Strömungsfeld 62, 64, 66, das aus einer Vielzahl von Strömungskanälen hergestellt ist, die in den Seiten der Platten für die Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen an die reaktiven Seiten der MEAs 52, 54 ausgebildet sind. Nichtleitende Dichtungselemente oder Abdichtungen 68, 70, 72, 74 sehen eine Dichtung wie auch elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Platten des Brennstoffzellenstapels 50 vor.
Poröse gasdurchlässige elektrisch leitende Lagen 76, 78, 80, 82 werden an die Elektrodenseiten der MEAs 52, 54 gepresst und dienen als Primärstromkollektoren für die jeweiligen Elektroden. Die elektrisch leitenden Lagen 76, 78, 80, 82 sehen zusätzlich eine mechanische Abstützung für die jeweiligen MEAs vor. Die bipolare Platte 58 presst an einen Primärstromkollektor 76 auf der Kathodenseite 52c der MEA 52. Ähnlicherweise presst eine bipolare Platte 60 an den Primärstromkollektar 82 auf der Kathodenseite 54a der MEA 54, und eine bipolare Platte 56 presst an einen Primärstromkollektor 78 auf der Anodenseite 52a einer MEA 52 und an den Primärstromkollektor 80 auf der Kathodenseite 54c einer anderen MEA 54.
Ein Oxidationsmittel 18 wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 50 von einer geeigneten Versorgungsverrohrung 84 geliefert. Ähnlicherweise wird Wasserstoff an die Anodenseite der Brennstoffzelle 50 von einer geeigneten Versorgungsverrohrung 86 geliefert. Es ist auch eine Austragsverrohrung (nicht gezeigt) vorgesehen, um Anodenabfluss von den Anodenströmungsfeldern und den Kathodenabfluss von den Kathodenströmungsfeldern zu entfernen. Es ist eine Kühlmittelverrohrung 88, 90 vorgesehen, um flüssiges Kühlmittel nach Bedarf an die bipolaren Platten 56, 58, 60 zu liefern und von diesen auszutragen.
Es sei angemerkt, dass der Einfachheit halber der Brennstoffzellenstapel 50 zwei Brennstoffzellen zeigt, wobei eine Platte 56 zwischen den beiden Brennstoffzellen aufgeteilt wird und die Platten 58, 60 zwischen einer der gezeigten Brennstoffzellen aufgeteilt werden. Diesbezüglich ist eine ”Brennstoffzelle” in einem Brennstoffzellenstapel physikalisch nicht vollständig trennbar, insoweit irgendeine Brennstoffzelle in dem Stapel zumindest eine Seite einer bipolaren Platte mit einer anderen Zelle teilt.
3 ist eine teilgeschnittene Explosionsdarstellung, die einen PEM-Brennstoffzellenstapel 100 nach dem Stand der Technik zeigt. Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst eine bipolare Platte 102 mit einer Anodenverteilungsplatte 104 und einer Kathodenverteilungsplatte 106. Die Verteilungsplatten 104, 106 sind mit einer Vielzahl abwechselnder Stege und Nuten gemustert, die verschiedene Sätze von Strömungskanälen definieren, wobei jeder zu der Anode und zu der Kathode weisende Seiten aufweist. Die Anodenverteilungsplatte 104 definiert einen ersten Satz von Strömungskanälen oder Anodenreaktandenkanälen 110 in reaktiver Schnittstelle mit der Anodenseite 109 der MEA 108. Die Kathodenverteilungsplatte 106 definiert einen zweiten Satz von Strömungskanälen oder Kathodenreaktandenkanälen 112 in reaktiver Schnittstelle mit der Kathodenseite 111 der MEA 108. Die Anoden- und Kathodenverteilungsplatten 104, 106 sind mit einander an einer Vielzahl von Stegen oder Schnittstellen 116 unter Verwendung herkömmlicher Verfahren, wie Hartlöten, Schweißen oder Kleben, verbunden und elektrisch gekoppelt. Diesbezüglich sind die jeweiligen Anoden- und Kathodenreaktandenkanäle 110, 112 axial ausgerichtet und direkt einander gegenüberliegend angeordnet. Ein erster Satz von Kühlmittelkanälen 114 ist durch die Rückseiten oder Wärmeaustauschseiten 113 der Gasverteilungsplatten 104, 106 definiert. Die Strömungskanäle 110, 112, 114 sind bevorzugt in den Anoden- und Kathodenverteilungsplatten 104, 106 derart angeordnet, dass der erste Satz von Kühlmittelkanälen 114 über die gesamte Höhe der bipolaren Platte 102 verläuft und benachbart der Anoden- und Kathodenkanäle 110, 112 angeordnet ist, die sich etwa über eine Hälfte der Höhe der bipolaren Platte 102 erstrecken. Die Kühlmittelkanäle 114 besitzen Wärmeschnittstellen mit zwei MEAs 108, 108''.
Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst auch eine zweite bipolare Platte 102', die aus einer Anodenverteilungsplatte 104' und einer Kathodenverteilungsplatte 106', die miteinander verbunden sind, besteht. Die Anodenverteilungsplatte 104' definiert einen ähnlichen Satz von Anodenreaktandenkanälen 110' in reaktiver Schnittstelle mit der Anodenseite 109' der MEA 108. Ähnlicherweise definiert die Kathodenverteilungsplatte 106' einen ähnlichen Satz von Kathodenreaktandenkanälen 112' in reaktiver Schnittstelle mit der Kathodenseite 111' der MEA 108'. Die Anoden- und Kathodenverteilungsplatten 104', 106' sind mit einer Vielzahl von Stegen oder Schnittstellen 116' unter Verwendung herkömmlicher Verfahren, wie Hartlöten, Schweißen oder Kleben, verbunden und elektrisch miteinander gekoppelt Ähnlich zu der bipolaren Platte 102 sind die Verteilungsplatten 102', 104' axial ausgerichtet und die Reaktandenkanäle 110', 112' liegen einander direkt gegenüber. Ein zweiter Satz von Kühlmittelkanälen 114' ist durch die Rückseiten oder Wärmeaustauschseiten 113' der Verteilungsplatten 104', 106' definiert. Die Strömungskanäle 110', 112' sind bevorzugt in den Anoden- und Kathodenverteilungsplatten 104', 106' angeordnet, so dass der zweite Satz von Kühlmittelkanälen 114' über die gesamte Höhe der bipolaren Platte 102' verläuft und benachbart der Anoden- und Kathodenkanäle 110', 112' angeordnet ist, die über etwa eine Hälfte der Höhe der bipolaren Platte 102' verlaufen. Der zweite Satz von Kühlmittelkanälen 114 besitzt Wärmeschnittstellen mit zwei MEAs 108, 108'. Der Vollständigkeit halber sind auch die Anodenplatte 104'' und die Kathodenplatte 106'' gezeigt.
Die vorliegende Erfindung umfasst, dass für die Stapelkonstruktion ein viertes Strömungsfeld vorgesehen wird, um eine integrierte Befeuchtung und Kühlung einer Brennstoffzelle vorzusehen. Insoweit, wie die bevorzugten Ausführungsformen der 4–6 viele ähnliche Aspekte und Betrachtungen bezüglich denjenigen von 3 teilen, sind die in 3 beschriebenen Betrachtungen bezüglich der Kanalausgestaltung, der Materialien, der Fluide wie auch der Thermodynamik gleichermaßen auf die in den 4–6 gezeigten Ausführungsformen bezüglich der vorhergehenden Beschreibung anwendbar. Demgemäß werden nur diejenigen Merkmale, die einen Unterschied bilden, in den 4–6 nachfolgend beschrieben.
4 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels 200 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Brennstoffzellenstapel 200 umfasst eine bipolare Platte 202, die aus einer Anodenverteilungsplatte 204 und einer Kathodenverteilungsplatte 206 besteht. Die Anodenverteilungsplatte 204 definiert einen Satz von Anodenreaktandenkanälen 210 in reaktiver Schnittstelle mit der Anodenseite 209 der MEA 208. Die Kathodenverteilungsplatte 206 definiert einen Satz von Kathodenreaktandenkanälen 212 in reaktiver Schnittstelle mit der Kathodenseite 211 der MEA 208. Die Anoden- und Kathodenverteilungsplatten 204, 206 sind an einer Vielzahl von Schnittstellen 216 durch Verwendung herkömmlicher Verfahren, wie Hartlöten, Schweißen oder Kleben, verbunden und elektrisch miteinander gekoppelt. Diesbezüglich sind die jeweiligen Anodenreaktandenkanäle 210 und Kathodenreaktandenkanäle 212 voneinander versetzt und auf drei Seiten von einem Kühlmittel umgeben. Ein erster Satz von Kühlmittelkanälen 214 wird durch die Rückseiten oder Anodenwärmeaustauschseiten 213 der Anodenverteilungsplatte 204 definiert. Ein zweiter Satz von Kühlmittelkanälen 218 wird durch die Rückseiten oder Kathodenwärmeaustauschseiten 217 der Kathodenverteilungsplatte 206 definiert.
Die Strömungskanäle 210, 212, 214, 218 sind in den Anoden- und Kathodenverteilungsplatten 204, 206 angeordnet, so dass der erste Kühlmittelkanal 214 etwa über eine Hälfte der Höhe der bipolaren Platte 202 verläuft und dem Kathodenreaktandenkanal 212 direkt gegenüberliegt, der ebenfalls etwa über eine Hälfte der Höhe der bipolaren Platten 202 verläuft. Der zweite Kühlmittelkanal 218 verläuft etwa über eine Hälfte der Höhe der bipolaren Platte 202 und liegt dem Anodenreaktandenkanal 210 direkt gegenüber, der ebenfalls über etwa eine Hälfte der Höhe der bipolaren Platte 202 verläuft.
Die Schnittflächen der Vielzahl von Strömungskanälen 210, 212, 214, 218 sind durch die Form oder das Muster der jeweiligen Verteilungsplatten 204, 206 bestimmt. Die Verteilungsplatten 204, 206 können so ausgebildet sein, dass sie die spezifische Querschnittsfläche besitzen, die einem gewünschten Volumendurchsatz entspricht. Diesbezüglich kann, während 4 die Reaktandenkanäle 210, 212 und die Kühlkanäle 214, 218 mit ähnlichen jeweiligen Querschnittsflächen darstellt, jeder mit einer anderen Querschnittsfläche ausgebildet sein.
Bei verschiedenen Ausführungsformen wird ein Oxidationsmittel oder Druckluft an den zweiten Satz von Kühlmittelkanälen 218 geliefert, wobei Wärme von dem Brennstoffzellenstapel 200 entnommen und dazu verwendet wird, das Oxidationsmittel aufzuheizen, das anschließend an die Kathodenreaktandenkanäle 212 als der Kathodenreaktand geliefert wird. Diesbezüglich wird der zweite Satz von Kühlmittelkanälen dazu verwendet, die Luft vor dem Eintritt in die Kathodenreaktandenströmungskanäle zu erhitzen. Alternativ dazu kann es bei verschiedenen anderen Ausführungsformen erforderlich werden, dass die Druckluft vor ihrem Eintritt in die Strömungskanäle gekühlt werden muss. Die Bestimmung darüber, ob die Luft erhitzt oder gekühlt werden muss, hängt teilweise von der Quelle der Luftversorgung (einem Kompressor oder einem Gebläse) und dem Austragsdruck ab. Bei jeder Ausführungsform sollte die Luft vor dem Eintritt in das Kathodenströmungsfeld auf die Stapeltemperatur eingestellt werden (d. h. Heizen oder Kühlen). Wasserstoff wird an die Anodenreaktandenkanäle 210 als der Anodenreaktand geliefert. Ein dielektrisches flüssiges Kühlmittel, wie Wasser, wird an die Kanäle 214 als ein Kühlmittel geliefert, um weiter Wärme von dem Brennstoffzellenstapel 200 zu entziehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung stehen Oxidationsmittelkühlmittelkanäle 218 in Strömungsverbindung mit den Kathodenreaktandenkanälen 212. Bei einer Ausführungsform ist die Fluidschnittstelle direkt, so dass ein Auslass des Kühlmittelkanals 218 im Wesentlichen ein kontinuierlicher Durchgang ist, der zu einem Einlass der Kathodenreaktandenkanäle 212 führt. Bei einer alternativen Ausführungsform bildet eine Gruppe von Ausgängen von den Kühlmittelkanälen 218 fluidmäßig eine Schnittstelle mit einem Verteiler (nicht gezeigt), der auch fluidmäßig eine Schnittstelle mit einer Gruppe von Einlässen von den Reaktandenkanälen 212 bildet. Eine Lieferpumpe (nicht gezeigt) kann als Teil der Fluidverbindungsschnittstelle verwendet werden. Bei einem bevorzugten Betrieb wird ein zweiphasiger Zufuhrstrom, der aus vernebeltem Wasser (zerstäubtem Wasser, Wassernebel, Wasserpartikel, Dampf) und Luft besteht, an den zweiten Satz von Kühlmittelkanälen 218 geliefert. Das vernebelte Wasser gelangt durch die Oxidatiansmittelkühlmittelkanäle 218 und befeuchtet die Luft unter Verwendung von Wärme aus den elektrochemischen Reaktionen als der latenten Verdampfungswärme, um das vernebelte Wasser vollständig zu verdampfen. Der Befeuchtungsprozess sieht somit einen Grad an Wärmeentnahme vor, wodurch der Brennstoffzellenstapel 200 weiter gekühlt wird. Die befeuchtete Luft wird davon ausgetragen, wobei ein befeuchteter Oxidationsmittelreaktand an die Kathodenreaktandenkanäle 212 geliefert wird.
Bevorzugt wird Wasser den Oxidationsmittelkühlmittelkanälen 218 zugesetzt, indem das Wasser vernebelt wird, so dass es im Wesentlichen in Luft eingeschlossen ist, wodurch ein zweiphasiges Fluid aus Luft und vernebeltem Wasser vorgesehen wird. Das Wasser kann unter Verwendung von Sprühdüsen, Ultraschallverneblern, Verdampfern oder anderen Mitteln vernebelt werden, um Wasser angemessen in den Luftstrom zu verteilen.
Der hier verwendete Begriff ”Wasser” bedeutet Wasser, das hinsichtlich seiner Zusammensetzungsbeschaffenheit für einen Betrieb eines Brennstoffzellenenergiesystems verwendbar ist. Während bestimmte Partikel in allgemein verfügbarem Wasser akzeptabel sind, können diese ein Verstopfen zusätzlich zu einem Verstopfen bewirken, das durch Partikel in dem Oxidationsmittelgas bewirkt wird, wodurch, wie offensichtlich ist, das Wasser vor Einführung in die Brennstoffzelle geeignet gefiltert werden muss.
5A zeigt einen PEM-Brennstoffzellenstapel 300 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Brennstoffzellenstapel 300 umfasst eine bipolare Platte 302, die aus einer Anodenverteilungsplatte 304 und einer Kathodenverteilungsplatte 306 besteht. Ein Satz von Anodenreaktandenkanälen 310, der in der Anodenverteilungsplatte 304 ausgebildet ist, steht in reaktiver Schnittstelle mit der Anodenseite 309 der MEA 308. Ein Satz von Kathodenreaktandenkanälen 312, der in der Kathodenverteilungsplatte 306 ausgebildet ist, steht in reaktiver Schnittstelle mit der Kathodenseite 311 der MEA 308. Eine Trennlage oder Separatorplatte 320 ist zwischen der Anodenverteilungsplatte 304 und der Kathodenverteilungsplatte 306 angeordnet. Die Separatorplatte 320 und die Anodenwärmeaustauschseiten 313 der Anodenverteilungsplatte 304 definieren einen ersten Satz aus Kühlmittelkanälen 314. In ähnlicher Weise definieren die Separatorplatte 320 und die Kathodenwärmeaustauschseiten 317 der Kathodenverteilungsplatte 306 einen zweiten Satz von Kühlmittelkanälen 318. Die Trennschicht 320 ist bevorzugt ein nicht poröses elektrisch leitendes Material und sieht eine Wärmeübertragungssteuerung zwischen den Kühlmittelkanälen 314, 318 vor.
Die Anodenverteilungsplatte 304 ist gemustert und derart angeordnet, das der erste Satz von Kühlmittelkanälen 314 über etwa eine Hälfte der Höhe der bipolaren Platte 302 verläuft und mit dem Satz von Anodenkanälen 310 abwechselt. Die Kathodenverteilungsplatte 306 ist gemustert und derart angeordnet, dass der weite Satz von Kühlmittelkanälen 318 über etwa eine Hälfte der Höhe der bipolaren Platte 302 verläuft und mit dem Satz von Kathodenkanälen 312 abwechselt. Die Anoden- und Kathodenverteilungsplatten 304, 306 und die Trennschicht 320 sind an einer Vielzahl von Schnittstellen 316 unter Verwendung herkömmlicher Verfahren, wie Hartlöten, Schweißen oder Kleben verbunden und elektrisch miteinander gekoppelt.
Wie es derzeit bevorzugt ist, wird Oxidationsmittel an den zweiten Satz von Kühlmittelkanälen 318 geliefert, wo Wärme von dem Brennstoffzellenstapel 300 entnommen und dazu verwendet wird, das Oxidationsmittel aufzuheizen, das anschließend als der Kathodenreaktand an die Kathodenreaktandenkanälen 312 gelenkt wird. Wasserstoff wird an die Anodenreaktandenkanäle 310 als der Anodenreaktand geliefert. Ein dielektrisches flüssiges Kühlmittel, wie Wasser, wird an den ersten Satz von Kühlmittelkanälen 314 geliefert, womit weiter Wärme von dem Brennstoffzellenstapel 300 entnommen wird.
5B zeigt eine alternative Ausgestaltung der zweiten bevorzugten Ausführungsform mit einem Wassertransportmedium oder einer wasserdurchlässigen Membran 322, die die Verteilungsplatten 304, 306 trennt. Bevorzugt enthält das Kühlmittel in dem ersten Satz von Kühlmittelkanälen 314 flüssiges Wasser. Das Wasser wandert durch den ersten Satz von Kühlmittelkanälen 314, wodurch die MEA gekühlt wird. Es dringt auch durch das Wassertransportmedium und befeuchtet das Oxidationsmittelkühlmittel, das in den benachbarten Kühlmittelkanälen 318 strömt.
Abhängig von dem verwendeten Material kann das Wassertransportmedium 322 eine zusätzliche bauliche Abstützung erfordern, um die Integrität der bipolaren Platte 302 beizubehalten. 6 zeigt eine Ausführungsform, die ein oder mehrere Stützelemente 324 verwendet, die benachbart des Wassertransportmediums 322 angeordnet sind. Bevorzugt erstrecken sich die Stützelemente 324 in einer Richtung rechtwinklig zu den Kanälen 310, 312, 314, 318 und erstrecken sich weiter über die gesamte Breite des Brennstoffzellenstapels 300.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung offenbart ein Verfahren zum Kühlen einer elektrochemischen Brennstoffzelle. Mit neuerlicher Bezugnahme auf 4 umfasst das Verfahren, das ein Oxidationsmittelstrom in eine Vielzahl von Kathodenreaktandenkanälen 212 benachbart einer Kathode eingeführt wird und ein Brennstoffstrom in eine Vielzahl von Anodenreaktandenkanälen 210 benachbart einer Anode eingeführt wird. An der MEA 208 erfolgt eine elektrochemische Reaktion, bei der ein Brennstoffreaktand mit einem Oxidationsmittelreaktanden oxidiert wird, wodurch Wasser, Elektrizität und Wärmeenergie erzeugt wird. Die MEA 208 wird anschließend durch Übertragung von Wärme von der Anordnung an zumindest einen der Reaktanden gekühlt, die durch einen ersten Strömungspfad in Wärmeverbindung mit der MEA 208 strömen, wodurch der Recktand erhitzt wird. Dieser erhitzte Recktand wird dann an einen zweiten Strömungspfad geführt, der zu der MEA 208 in einer Reaktandenkapazität führt. Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet das Oxidationsmittel als den Wärmeübertragungsreaktanden. Bevorzugt wird das Oxidationsmittel befeuchtet, wenn es die MEA kühlt. Der Befeuchtungsprozess kühlt ferner die Brennstoffzelle durch Verwendung von Wärmeenergie als der latenten Verdampfungswärme, die notwendig ist, um das flüssige Wasser zu verdampfen. Das Verfahren kann auch ein zweites Kühlmittel umfassen, das durch eine Vielzahl von Kühlmittelströmungskanälen in Wärmeverbindung mit der MEA transportiert wird, wodurch ein zusätzlicher Grad an Wärmeentnahme und Kühlung des Brennstoffzellenstapels vorgesehen wird.
1 zeigt das Brennstoffzellenenergiesystem 10 mit einer Instrumentierung und Steuerung zum Ausgleich der Wasserströmung, um die Brennstoffzelle zu befeuchten. Ein Echtzeit-Steuercomputer 38 ist symbolisch als ein Element mit Signalleitungsschnittstellen (die eine Signal- oder Datenverbindung mit dem Echtzeitsteuercomputer vorsehen) zu einem Differenzdruckgeber 42, einer Befeuchtungsmessung 43, einem Steuerventil 44, einer Strömungsmessung 45 und einer Messung 46 über Brenneremissionen gezeigt.
Der Differenzdruckgeber 42 ist in dem System 10 als ein einzelnes Beispiel gezeigt, wobei er zumindest einen solchen Geber 42 für einen Brennstoffzellenstapel 22 repräsentiert. Bei alternativen Ausführungsformen wird eine größere Anzahl von Beispielen von Differenzdruckgebern 42 zur Messung des Fluidströmungsdruckabfalls zwischen dem Einlass und Auslass der Luftzufuhrkühlmittelkanäle verwendet.
Bei einer Ausführungsform, die eine Membran in einer Brennstoffzelle mit bipolaren Platten verwendet, wird der Durchfluss von Wasser 47 zu der Membran bei einer Ausführungsform weiter in Ansprechen auf ein Messsignal von einem Differenzdruckgeber 42 durch Verwendung des Steuercomputers 38, des Steuerventils 44 und der Strömungsmessung 45 gesteuert. Bei einer Ausführungsform, die eine vernebelte Wasserzufuhr zu dem Luftstrom 24 in einer Brennstoffzelle mit bipolarer Platte verwendet, wird der Durchfluss von Wasser 47 zu dem Vernebelungssystem (beispielsweise Sprühdüsen – nicht gezeigt, was jedoch offensichtlich sein sollte) bei einer Ausführungsform weiter in Ansprechen auf ein Messsignal von einem Differenzdruckgeber 42 durch die Verwendung des Steuercomputers 38, des Steuerventils 44 und der Strömungsmessung 45 gesteuert.
Ferner ist es bei einer weiteren Betrachtung eines vollständig ausgeglichenen Brennstoffzellensystems, sogar, obwohl die obige Beschreibung auf die Befeuchtung von Luftzufuhrströmen zu den Kathoden der MEAs gerichtet worden ist, aus der obigen Beschreibung offensichtlich, dass Brennstoffströme, die an Anodenreaktanden-(Brennstoffreaktanden-)Kanäle geliefert werden, bei einigen Ausführungsformen durch einen Abschnitt des Satzes von Luftzufuhrstrombefeuchtungskanälen ersetzt werden, so dass eine Befeuchtung/Anfeuchtung zusammen mit einer geeigneten Kühlung des Brennstoffreaktandenstroms zu der Brennstoffzelle ebenfalls geeignet erreicht wird.
Es sei für Fachleute auch angemerkt, dass ein Sauerstoffgasstrom mit etwa 25 Gewichtsprozent Sauerstoff oder mehr in einigen Ausführungsformen anstelle von Luft an die Oxidationskühlmittelkanäle zugeführt oder an diese geliefert werden kann.
Es sei angemerkt, dass, während die vorliegende Erfindung die Verwendung von bipolaren Platten mit zwei Plattenelementen offenbart, das Konzept einheitlicher bipolarer Platten oder bipolarer Platten, die aus einem einzelnen Materialstück hergestellt sind, ebenfalls zur Verwendung hier geeignet sind. Einheitliche bipolare Platten können durch Strangpressen bzw. Extrudieren eines leitenden Materials gebildet werden, wie in der Technik bekannt ist. Die Verwendung einer einheitlichen bipolaren Platte würde den Prozess zur Herstellung der Brennstoffzelle durch Beseitigung des Bedarfs nach einer Musterung, Formung, Ausrichtung und elektrischer Verbindung von zwei Plattenelementen miteinander vereinfachen. Zusätzlich ist eine Vielzahl von Kombinationen oder Ausgestaltungen, die die Flüssigkeitskühlmittelkanäle und die Oxidationsmittelkühlmittelkanäle in den Brennstoffzellenanordnungen abwechseln, leicht erreichbar und innerhalb des Schutzumfangs beabsichtigt.

Claims

Brennstoffzellenanordnung (200, 300) mit einer Strömungsverteilungsanordnung (202, 302), wobei die Strömungsverteilungsanordnung (202, 302) umfasst: einen ersten Satz von Strömungskanälen (210, 310), der zu einer Anode zur Verteilung eines Brennstoffreaktanden an die Anode weist; einen zweiten Satz von Strömungskanälen (212, 312), der zu einer Kathode zur Verteilung eines Oxidationsmittels an die Kathode weist; einen dritten Satz von Strömungskanälen (218, 318) in Strömungsverbindung mit dem zweiten Satz von Strömungskanälen (212, 312), wobei der dritte Satz von Strömungskanälen (218, 318) in Wärmeübertragungsbeziehung mit der Anode und/oder der Kathode steht, das Oxidationsmittel stromaufwärts des zweiten Satzes von Strömungskanälen (212, 312) aufnimmt und das Oxidationsmittel nach einem Wärmeaustausch mit der Anode und/oder der Kathode an den zweiten Satz von Strömungskanälen (212, 312) liefert; und einen vierten Satz von Strömungskanälen (214, 314), der ein Kühlmittelfluid aufnimmt, das von dem Oxidationsmittel verschieden ist.
Brennstoffzellenanordnung (200, 300) nach Anspruch 1, wobei die Strömungsverteilungsanordnung (202, 302) eine einheitliche bipolare Platte umfasst, wobei die Platte den ersten und zweiten Satz von Strömungskanälen und zumindest einen des dritten und vierten Satzes von Strömungskanälen definiert.
Brennstoffzellenanordnung (200, 300) nach Anspruch 1, ferner mit einer Kühlvorrichtung, die stromabwärts des dritten Satzes von Strömungskanälen (218, 318) angeordnet ist, um das Oxidationsmittel stromaufwärts des zweiten Satzes von Strömungskanälen (212, 312) zu kühlen.
Brennstoffzellenanordnung (200, 300) nach Anspruch 1, wobei eine erste Verteilerplatte (204, 304) gemustert ist, um den ersten Satz von Strömungskanälen (210, 310) zu definieren, eine zweite Verteilerplatte (206, 306) gemustert ist, um den zweiten Satz von Strömungskanälen (212, 312) zu definieren, und wobei die erste und die zweite Platte miteinander verbunden sind.
Brennstoffzellenanordnung (300) nach Anspruch 4, ferner mit einer Separatorplatte (320), die zwischen der ersten und der zweiten Verteilerplatte (204, 206) angeordnet ist.
Brennstoffzellenanordnung (300) nach Anspruch 5, wobei sich der dritte Satz von Strömungskanälen (218, 318) auf einer Seite der Separatorplatte (320) befindet und sich der vierte Satz von Strömungskanälen (214, 314) auf einer entgegengesetzten Seite der Separatorplatte (320) befindet.
Brennstoffzellenanordnung (300) nach Anspruch 6, wobei die Separatorplatte (320) ein Wassertransportmedium (322) umfasst.
Brennstoffzellenanordnung (200, 300) nach Anspruch 7, wobei das Kühlmittel des vierten Satzes von Strömungskanälen (214, 314) Wasser umfasst, das durch das Wassertransportmedium (322) zu dem dritten Satz von Strömungskanälen (218, 318) hindurch dringt, um das Oxidationsmittel zu befeuchten.
Brennstoffzellenanordnung (300) nach Anspruch 5, wobei die Separatorplatte (320) ein nicht poröses elektrisch leitendes Material umfasst.
Brennstoffzellenanordnung (300) nach Anspruch 5, ferner mit zumindest einem Stützelement (324), das benachbart der Separatorplatte (320) angeordnet ist.
Brennstoffzellenanordnung (300) nach Anspruch 1, wobei jeweilige Strömungskanäle des ersten und zweiten Satzes von Strömungskanälen einander gegenüberliegend ausgerichtet sind.
Brennstoffzellenanordnung (200) nach Anspruch 1, wobei jeweilige Strömungskanäle des ersten und zweiten Satzes von Strömungskanälen voneinander versetzt sind.
Brennstoffzellenanordnung (200) nach Anspruch 1, wobei jeweilige Querschnittsflächen des ersten, zweiten, dritten und vierten Satzes von Strömungskanälen nicht alle gleich sind.
Brennstoffzellenanordnung (200) nach Anspruch 1, wobei eine Querschnittsfläche eines Strömungskanals eines dritten Satzes größer als eine Querschnittsfläche des nächsten benachbarten Strömungskanals des zweiten Satzes ist.
Brennstoffzellenanordnung (200, 300) nach Anspruch 1, wobei der Oxidationsmittelstrom vernebeltes Wasser umfasst.