DE102006046725A1

DE102006046725A1 - Wassermassenausgleichsschema für Brennstoffzellensysteme

Info

Publication number: DE102006046725A1
Application number: DE102006046725A
Authority: DE
Inventors: Steven G. Goebel
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-10-04
Filing date: 2006-10-02
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2026-10-03
Also published as: CN1945884B; JP2007103373A; US20070077474A1; DE102006046725B4; CN1945884A

Abstract

Es ist ein Brennstoffzellensystem und ein Schema für dessen Betrieb zur Verbesserung des Gesamtwassermassengleichgewichtes in dem System vorgesehen. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Anordnung für elektrochemische Umwandlung vorgesehen, bei der der Kühlmittelströmungsfeldabschnitt ein Betriebskühlmitteltemperaturprofil definiert, das durch Bereiche mit relativ niedriger Kühlmitteltemperatur T_MIN und Bereiche mit relativ hoher Kühlmitteltemperatur T_MAX gekennzeichnet ist. Der Kathodenströmungsfeldabschnitt und der Kühlmittelströmungsfeldabschnitt sind derart ausgestaltet, dass der Reaktandeneingang und der Reaktandenausgang näher an den Bereichen mit relativ niedriger Kühlmitteltemperatur T_MIN positioniert sind, als an den Bereichen mit relativ hoher Kühlmitteltemperatur T_MAX. Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind der Kathodenströmungsfeldabschnitt und der Kühlmittelströmungsfeldabschnitt derart ausgestaltet, dass die Bereiche mit relativ niedriger Kühlmitteltemperatur T_MIN in engerer thermischer Verbindung mit dem Reaktandeneingang und dem Reaktandenausgang positioniert sind als die Bereiche mit relativ hoher Kühlmitteltemperatur T_MAX.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Zellen für elektrochemische Umwandlung, die allgemein als Brennstoffzellen bezeichnet werden und elektrische Energie durch Verarbeitung eines ersten und zweiten Reaktanden erzeugen. Beispielsweise kann elektrische Energie in einer Brennstoffzelle durch die Reduktion eines sauerstoffhaltigen Gases und die Oxidation eines wasserstoffhaltigen Gases erzeugt werden. Beispielhaft und nicht beschränkend umfasst eine typische Zelle eine Membranelektrodenanordnung, die zwischen einem Paar von Strömungsfelder positioniert ist, die jeweilige der Reaktanden aufnehmen. Genauer kann eine Kathodenströmungsfeldplatte und eine Anodenströmungsfeldplatte auf entgegengesetzten Seiten der Membranelektrodenanordnung positioniert werden. Die von einer einzelnen Zelleneinheit vorgesehene Spannung ist zur Nutzanwendung typischerweise zu klein, so dass es üblich ist, eine Vielzahl von Zellen in einem leitend gekoppelten "Stapel" anzuordnen, um die elektrische Abgabe der Anordnung für elektrochemische Umwandlung zu erhöhen.

Als Hintergrund umfasst die Umwandlungsanordnung allgemein eine Membranelektrodenanordnung, ein Anodenströmungsfeld und ein Kathodenströmungsfeld. Die Membranelektrodenanordnung umfasst ihrerseits eine Protonenaustauschmembran, die eine Anode und eine Kathode trennt. Die Membranelektrodenanordnung umfasst allgemein unter anderem einen Katalysator, der von einem eine hohe Oberfläche aufweisenden Stützmaterial getragen ist und durch eine gesteigerte Protonenleitfähigkeit bei feuchten Bedingungen gekennzeichnet ist. Für die Zwecke der Be schreibung des Kontextes der vorliegenden Erfindung sei angemerkt, dass der allgemeine Aufbau und Betrieb von Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapeln jenseits des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt. Vielmehr ist die vorliegende Erfindung auf bestimmte Strömungsfeldplattenkonfigurationen und auf allgemeine Konzepte hinsichtlich ihrer Konstruktion gerichtet. Bezüglich der allgemeinen Konfiguration und des allgemeinen Betriebs von Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapeln verweisen die Anmelder auf die große Sammlung von Lehren, die die Art und Weise abdecken, in der Brennstoffzellen-"Stapel" und die verschiedenen Komponenten des Stapels ausgestaltet sind. Beispielsweise betreffen eine Vielzahl von U.S.-Patenten und veröffentlichten Anmeldungen direkt Brennstoffzellenkonfigurationen und entsprechende Betriebsverfahren. Genauer zeigen die 1 und 2 der U.S.-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2005/0058864 und der begleitende Text eine detaillierte Darstellung der Komponenten von einem Typ von Brennstoffzellenstapel, und dieser spezielle Gegenstand ist hier ausdrücklich durch Bezugnahme eingeschlossen.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es sind ein Brennstoffzellensystem und ein Schema für dessen Betrieb vorgesehen, um das Gesamtwassermassengleichgewicht in dem System zu verbessern. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Anordnung für elektrochemische Umwandlung vorgesehen, die zumindest eine Zelle für elektrochemische Umwandlung umfasst, die derart ausgestaltet ist, um einen ersten und zweiten Reaktanden in elektrische Energie umzuwandeln. Die Anordnung für elektrochemische Umwandlung umfasst eine Reaktandenversorgung, die derart ausgestaltet ist, um einen befeuchteten Reaktanden an einen Kathodenströmungsfeldabschnitt der Anordnung zu liefern, und eine Kühlmittelversorgung, die derart ausges taltet ist, um ein Kühlfluid an einen Kühlmittelströmungsfeldabschnitt der Anordnung zu liefern. Der Kühlmittelströmungsfeldabschnitt definiert ein Betriebskühlmitteltemperaturprofil, das durch Bereiche relativ niedriger Kühlmitteltemperatur T_MIN und Bereiche relativ hoher Kühlmitteltemperatur T_MAX gekennzeichnet ist. Der Kathodenströmungsfeldabschnitt und der Kühlmittelströmungsfeldabschnitt sind derart ausgestaltet, dass der Reaktandeneingang und der Reaktandenausgang näher an den Bereichen mit relativ niedriger Kühlmitteltemperatur T_MIN als an den Bereichen mit relativ hoher Kühlmitteltemperatur T_MAX positioniert sind.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind der Kathodenströmungsfeldabschnitt und der Kühlmittelströmungsfeldabschnitt derart ausgestaltet, dass die Bereiche mit relativ niedriger Kühlmitteltemperatur T_MIN in engerer thermischer Verbindung mit dem Reaktandeneingang und dem Reaktandenausgang positioniert sind, als die Bereiche mit relativ hoher Kühlmitteltemperatur T_MAX.

Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Schema zum Betrieb einer Anordnung für elektrochemische Umwandlung vorgesehen, wobei der Kathodenströmungsfeldabschnitt und der Kühlmittelströmungsfeldabschnitt derart ausgestaltet werden, dass die Bereiche mit relativ niedriger Kühlmitteltemperatur T_MIN in engerer thermischer Verbindung mit dem Reaktandeneingang und dem Reaktandenausgang positioniert sind, als die Bereiche mit relativ hoher Kühlmitteltemperatur T_MAX. Zusätzlich wird der Reaktand auf zumindest etwa 100 % RF an dem Reaktandeneingang befeuchtet, und die Kühlmittelversorgung wird betrieben, um Tour, eine Temperatur an dem Kühlmittelausgang, bei nicht größer als etwa 10°C über T_IN, einer Temperatur an dem Kühlmitteleingang, zu halten.

Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Brennstoffzellensysteme und ein Schema für deren Betrieb vorzusehen. Andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung sind angesichts der Beschreibung der hier ausgeführten Erfindung offensichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
Die folgende detaillierte Beschreibung von spezifischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird am besten in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen verständlich, in welchen gleiche Strukturen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, und in welchen:
1 eine schematische Darstellung einer Anordnung für elektrochemische Umwandlung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine schematische Darstellung einer Anordnung für elektrochemische Umwandlung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
3 eine graphische Darstellung der relativen Feuchte in der Anordnung für elektrochemische Umwandlung ist, wenn sich die Reaktion der elektrochemischen Umwandlung über die Anordnung hinweg weiterentwickelt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In den 1 und 2 sind Anordnungen 10 für elektrochemische Umwandlung gemäß zwei alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfin dung schematisch gezeigt. In jeder Ausführungsform umfasst die Anordnung eine Vielzahl von Zellen für elektrochemische Umwandlung, die als ein Brennstoffzellenstapel 20 angeordnet sind. Wie oben angemerkt ist, ist jede Zelle des Stapels 20 derart ausgestaltet, dass sie Reaktanden von jeweiligen Reaktandenversorgungen in elektrische Energie umwandelt. Die Anordnung 10 umfasst ferner eine Kathodenreaktandenversorgung 30, eine Anodenreaktandenversorgung (nicht gezeigt) und eine Kühlmittelversorgung 40.
Obwohl die Kathoden-, Anoden- und Kühlmittelversorgungen eine Vielzahl von Formen innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung annehmen können, umfassen die Kathodenreaktandenversorgungen 30, die in den 1 und 2 schematisch gezeigt sind, einen Luftkompressor 32 und einen Befeuchter 34, die derart ausgestaltet sind, um den Kathodenreaktand zu befeuchten und befeuchteten Reaktand, beispielsweise Luft, an die Kathodenströmungsfeldabschnitte des Brennstoffzellenstapels 20 zu liefern. Die Anodenreaktandenversorgung, die aus den 1 und 2 der Klarheit halber weggelassen worden ist, ist derart ausgestaltet, dass sie einen zusätzlichen Reaktand, beispielsweise Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas, an Anodenströmungsfeldabschnitte des Brennstoffzellenstapels 20 liefert. Die in 1 schematisch gezeigte Kühlmittelversorgung 40 umfasst eine Kühlmittelpumpe 42 und einen Kühler 44, die derart ausgestaltet sind, um ein Kühlfluid an einen Kühlmittelströmungsfeldabschnitt des Brennstoffzellenstapels 20 zu liefern.
Der Kathodenströmungsfeldabschnitt definiert einen oder mehrere Reaktandeneingänge 36, einen oder mehrere Reaktandenausgänge 38 und eine Gruppierung getrennter Reaktandenströmungspfade 35, die jeweils in Verbindung mit den Reaktandeneingängen 36 und den Reaktandenausgängen 38 stehen. Ähnlicherweise definiert der Kühlmittelströmungsfeld abschnitt einen oder mehrere Kühlmitteleingänge 46, einen oder mehrere Kühlmittelausgänge 48 und eine Gruppierung getrennter Kühlmittelströmungspfade 45, die jeweils in Verbindung mit den Kühlmitteleingängen 46 und den Kühlmittelausgängen 48 stehen. Für den Fachmann auf dem Gebiet der Konstruktion von Strömungsfeldern für Brennstoffzellen sei angemerkt, dass ein typisches Kathodenströmungsfeld erheblich anspruchsvoller ist, als das, das in den 1 und 2 der vorliegenden Erfindung gezeigt ist. Genauer ist die Gruppierung von getrennten Strömungspfaden 35 in den 1 und 2 lediglich schematisch gezeigt, um die allgemeine Form der Kathodenströmungspfade 35 in Bezug zu den Kühlmittelströmungspfaden 45, die das Kühlmittelströmungsfeld definieren, darzustellen. Typischerweise umfassen die Strömungspfade 35, 45 eine Vielzahl von Eingängen und Ausgängen in Verbindung mit einer oder mehreren Fluidsammelleitungen und sind erheblich dichter gepackt und geometrisch sorgfältiger ausgearbeitet, als diejenigen, die in den 1 und 2 gezeigt sind.
Ungeachtet der spezifischen Form, die durch die Kathoden- und Kühlmittelströmungspfade 35, 45 definiert ist, definieren die Kühlmittelströmungspfade 45 ein Betriebskühlmitteltemperaturprofil, das durch Bereiche mit relativ niedriger Kühlmitteltemperatur T_MIN und Bereiche mit relativ hoher Kühlmitteltemperatur T_MAX gekennzeichnet ist. Die vorliegenden Erfinder haben erkannt, dass spezifische Betriebsvorteile dadurch erreicht werden können, dass die Kathodenströmungsfeldabschnitte und die Kühlmittelströmungsfeldabschnitte derart ausgestaltet werden, dass die Reaktandeneingänge 36 und die Reaktandenausgänge 38 beide näher an den Bereichen mit relativ niedriger Kühlmitteltemperatur T_MIN als an den Bereichen mit relativ hoher Kühlmitteltemperatur T_MAX positioniert sind. Anders gesagt können gemäß der vorliegenden Erfindung der Kathodenströmungsfeldabschnitt und der Kühlmittelströmungsfeldabschnitt derart ausgestaltet sein, dass die Bereiche mit relativ niedriger Kühlmitteltemperatur T_MIN in engerer thermischer Verbindung mit den Reaktandeneingängen und -ausgängen 36, 38 positioniert sind, als die Bereiche mit relativ hoher Kühlmitteltemperatur T_MAX.
Auf diese Art und Weise kann ein Wassermassengleichgewicht des Gesamtsystems verbessert werden, da der Kathodenreaktand das Kathodenströmungsfeld bei einer relativ niedrigen Temperatur verlässt und daher weniger Wasserdampf führen kann. Zusätzlich ist durch Einführen des Kathodenreaktanden in das Kathodenströmungsfeld, in dem die Temperatur relativ niedrig ist, weniger Wasser erforderlich, um die minimalen Befeuchtungsanforderungen des Stapels 20 zu erfüllen. Die Vorgehensweise erlaubt eine höhere Kühlmittelaustrittstemperatur sogar unter vollständig befeuchteten Einlassbedingungen, bei denen sich die relative Feuchte (RF) an den Kathodeneinlässen 36 100 % annähert. Beispielsweise und nicht beschränkend kann durch Konfiguration der jeweiligen Kathoden- und Kühlmittelströmungsfelder auf die hier beschriebene Art und Weise die Kühlmittelaustrittstemperatur bei etwa 76°C gehalten werden, während die Kühlmitteleingangstemperatur bei etwa 68°C, die RF des Kathodeneinlasses bei etwa 100 % und die RF des Kathodenauslasses bei etwa 164 % gehalten wird. Wie in 3 gezeigt ist, die eine Darstellung des erwarteten RF-Profils eines Stapels zeigt, der unter diesen Bedingungen arbeitet, wird erwartet, dass sich lokale Befeuchtungsniveaus in dem Stapel bei zumindest bei etwa 100 % RF über den Stapel hinweg befinden.
Um die oben beschriebenen Ziele zu erreichen, können die jeweiligen Gruppierungen von Kühlmittel- und Reaktandenströmungspfaden, die in den 1 und 2 gezeigt sind, derart ausgestaltet sein, dass Abschnitte der Reaktandenströmungspfade 35, die sich relativ nah an den Reaktandeneingängen 36 und -ausgängen 38 befinden, in Ausrichtung mit denjenigen Abschnitten der Kühlmittelströmungspfade 45 positioniert sind, die sich relativ nah an einem oder mehreren der Kühlmitteleingänge 46 befinden. Genauer können unter Bezug auf die Konfigurationen, die in den 1 und 2 gezeigt sind, die Kathoden- und Kühlmittelströmungsfeldabschnitte derart ausgestaltet sein, dass ein Kathodenreaktand, der sich von dem Reaktandeneingang 36 zu dem Reaktandenausgang 38 bewegt, von einem Strömungsmuster, das im Wesentlichen in gleicher Richtung wie die Kühlmittelströmung verläuft, zu einem Strömungsmuster wechselt, das in Bezug auf die Kühlmittelströmung in im Wesentlichen einer Gegenrichtung verläuft. Folglich ist das in gleicher Richtung verlaufende Strömungsmuster durch ein allgemein zunehmendes Kühlmitteltemperaturprofil gekennzeichnet, und das in der Gegenrichtung verlaufende Strömungsmuster ist durch ein allgemein abnehmendes Kühlmitteltemperaturprofil gekennzeichnet.
Wie oben beschrieben ist, kann die Anordnung 10 für elektrochemische Umwandlung derart ausgestaltet sein, dass sie eine Vielzahl von Zellen für elektrochemische Umwandlung umfasst, die als ein Brennstoffzellenstapel 20 angeordnet sind, so dass einzelne aktive Bereiche von jeder Zelle Hauptseiten definieren, die parallel zueinander in dem Stapel 20 angeordnet sind. Wie in 1 gezeigt ist, können die Kühlmitteleingänge 46 und die Kühlmittelausgänge 48 entlang entgegengesetzter Ränder dieser Hauptseiten positioniert sein, während die Reaktandeneingänge 36 und die Reaktandenausgänge 38 entlang jeweiliger gemeinsamer Ränder der Seite des aktiven Bereichs positioniert sind. Somit kann der Reaktandenströmungsfeldabschnitt so beschrieben werden, dass er ein im Wesentlichen U-förmiges Reaktandenströmungsmuster definiert. Im Gegensatz dazu weist die Konfiguration von 2 Reaktandeneingänge 36 und Reaktandenausgänge 38 auf, die entlang entgegengesetzter Ränder des aktiven Bereiches positioniert sind. In 2 definiert der Kühlmittelströ mungsfeldabschnitt ein im Wesentlichen konvergentes Kühlmittelströmungsmuster, das in relativ enger Nähe zu dem Kühlmittelausgangsrand des aktiven Bereiches konvergiert.
Obwohl die Struktur der vorliegenden Erfindung auf eine Vielzahl von Arten in Gebrauch genommen werden kann, sind bei einer Betriebsweise der Befeuchter 34 und die Kühlmittelversorgung 30 derart ausgestaltet, um den Reaktand zu befeuchten und die Temperatur des Reaktandenströmungsfeldes so zu steuern, dass sich der Reaktand zumindest etwa 100 % RF an dem Reaktandeneingang 36 und zumindest etwa 164 % an dem Reaktandenausgang 38 annähert. Ferner können der Befeuchter 34, die Kühlmittelversorgung 40 und die Reaktanden- und Kühlmittelströmungsfelder derart ausgestaltet sein, dass der Reaktand bei oder oberhalb etwa 100 % RF zwischen dem Reaktandeneingang 36 und dem Reaktandenausgang 38 bleibt. Selbstverständlich variieren RF-Werte mit der Betriebstemperatur und dem Betriebsdruck.
Um die RF-Stabilität zu steigern, können der Befeuchter 34, die Kühlmittelversorgung 40 und die Reaktanden- und Kühlmittelströmungsfelder so ausgestaltet sein, um T_OUT, eine Temperatur an dem Kühlmittelausgang 48, bei nicht größer als etwa 10°C über T_IN, einer Temperatur an den Kühlmitteleingang 46, zu halten. Zusätzlich wird in Erwägung gezogen, dass der Befeuchter 34, die Kühlmittelversorgung 40 und die Reaktanden- und Kühlmittelströmungsfelder derart ausgestaltet sein können, dass sie T_MAX bei weniger als etwa 10°C über T_MIN halten.
Unter besonderem Bezug auf den in den 1 und 2 gezeigten Wasserabscheider 50 sei angemerkt, dass die Reaktandenausgänge 38 derart ausgestaltet sind, um den befeuchteten Reaktanden an den Wasserabscheider 50 zu lenken. Der Wasserabscheider 50 lenkt anschließend Wasser an den Befeuchter 34 und trägt den Rest der Reaktandenausgangsströmung als entfeuchteten Reaktand aus. Der Befeuchter 34 verwendet das Wasser von dem Wasserabscheider 50, um den Reaktand zu befeuchten, der an die Reaktandeneingänge 36 gelenkt wird. Auf diese Weise wird die Menge an zusätzlichem Wasser, die an den Reaktandeneinlässen 36 zur Befeuchtung nötig ist, an den Reaktandenauslässen 38 rückgewonnen und an die Reaktandeneinlässe rückgeführt. Ferner ist, wenn Wasser an den Reaktandenauslässen 38 und sonst wo in dem Stapel 20 kondensiert wird, die Wärmelast in dem Stapel um dieselbe Größe erhöht, die von dem Befeuchter 34 erforderlich ist, so dass die Netto-Wärmelast an dem Kühlmittelkühler 44 unverändert bleibt.
Es sei angemerkt, dass Begriffe wie "bevorzugt", "üblicherweise" und "typischerweise" hier nicht dazu verwendet sind, den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung zu beschränken oder zu implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für den Aufbau oder die Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sind diese Begriffe lediglich dazu bestimmt, Alternativen oder zusätzliche Merkmale hervorzuheben, die bei einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, jedoch nicht müssen.
Für die Zwecke der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung sei angemerkt, dass der Begriff "im Wesentlichen" hier dazu verwendet ist, den inhärenten Grad an Unsicherheit darzustellen, der einem quantitativen Vergleich, einem Wert, einer Messung oder einer anderen Darstellung zuzuschreiben ist. Der Begriff "im Wesentlichen" ist hier auch dazu verwendet, den Grad anzugeben, um den eine quantitative Darstellung von einer festgelegten Referenz abweichen kann, ohne in einer Änderung der Grundfunktion des betreffenden Gegenstandes zu resultieren.
Mit der detaillierten Beschreibung der Erfindung und durch Bezugnahme auf ihre spezifischen Ausführungsformen wird offensichtlich, dass Abwandlungen und Variationen ohne Abweichung von dem in den angefügten Ansprüchen definierten Schutzumfang der Erfindung möglich sind. Genauer ist es, obwohl einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hier als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, denkbar, dass die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung begrenzt ist.

Claims

Anordnung für elektrochemische Umwandlung mit zumindest einer Zelle für elektrochemische Umwandlung, die derart ausgebildet ist, um einen ersten und zweiten Reaktanden in elektrische Energie umzuwandeln, wobei die Anordnung für elektrochemische Umwandlung eine Reaktandenversorgung, die derart ausgebildet ist, um einen befeuchteten Reaktanden an einen Kathodenströmungsfeldabschnitt der Anordnung für elektrochemische Umwandlung zu liefern, und eine Kühlmittelversorgung umfasst, die derart ausgebildet ist, um ein Kühlfluid an einen Kühlmittelströmungsfeldabschnitt der Anordnung für elektrochemische Umwandlung zu liefern, wobei: der Kathodenströmungsfeldabschnitt einen Reaktandeneingang und einen Reaktandenausgang definiert; der Kühlmittelströmungsfeldabschnitt einen Kühlmitteleingang, einen Kühlmittelausgang und ein Betriebskühlmitteltemperaturprofil definiert, das durch Bereiche mit relativ niedriger Kühlmitteltemperatur T_MIN und Bereiche mit relativ hoher Kühlmitteltemperatur T_MAX gekennzeichnet ist; und der Kathodenströmungsfeldabschnitt und der Kühlmittelströmungsfeldabschnitt derart ausgestaltet sind, dass der Reaktandeneingang und der Reaktandenausgang näher an den Bereichen mit relativ niedriger Kühlmitteltemperatur T_MIN positioniert sind, als an den Bereichen mit relativ hoher Kühlmitteltemperatur T_MAX.
Anordnung für elektrochemische Umwandlung nach Anspruch 1, wobei: der Kathodenströmungsfeldabschnitt eine Gruppierung getrennter Reaktandenströmungspfade umfasst, die jeweils in Verbindung mit dem Reaktandeneingang und dem Reaktandenausgang stehen; der Kühlmittelströmungsfeldabschnitt eine Gruppierung getrennter Kühlmittelströmungspfade umfasst, die jeweils in Verbindung mit dem Kühlmitteleingang und dem Kühlmittelausgang stehen; und die jeweiligen Gruppierungen aus Kühlmittel- und Reaktandenströmungspfaden derart ausgestaltet sind, dass Abschnitte der Reaktandenströmungspfade, die relativ nah an dem Reaktandeneingang und dem Reaktandenausgang angeordnet sind, in wesentlicher Ausrichtung mit Abschnitten der Kühlmittelströmungspfade positioniert sind, die relativ nah an dem Kühlmitteleingang angeordnet sind.
Anordnung für elektrochemische Umwandlung nach Anspruch 1, wobei der Kathodenströmungsfeldabschnitt und der Kühlmittelströmungsfeldabschnitt derart ausgestaltet sind, dass die Bereiche mit relativ niedriger Kühlmitteltemperatur T_MIN in engerer thermischer Verbindung mit dem Reaktandeneingang und dem Reaktandenausgang positioniert sind, als die Bereiche mit relativ hoher Kühlmitteltemperatur T_MAX.
Anordnung für elektrochemische Umwandlung nach Anspruch 1, wobei der Kathodenströmungsfeldabschnitt und der Kühlmittelströmungsfeldabschnitt derart ausgestaltet sind, dass ein Kathodenreaktand, der sich von dem Reaktandeneingang zu dem Reaktandenausgang bewegt, von (i) einem Strömungsmuster, das bezüglich eines Strömungsmusters von Kühlmittel, das sich von dem Kühlmitteleingang zu dem Kühlmittelausgang bewegt, im Wesentlichen in der gleichen Richtung verläuft, zu (ii) einem Strömungsmuster wechselt, das relativ zu dem Strömungsmuster von Kühlmittel, das sich von dem Kühlmitteleingang zu dem Kühlmittelausgang bewegt, im Wesentlichen in der Gegenrichtung verläuft.
Anordnung für elektrochemische Umwandlung nach Anspruch 4, wobei der Kathodenströmungsfeldabschnitt und der Kühlmittelströmungsfeldabschnitt derart ausgestaltet sind, dass ein Abschnitt des Betriebskühlmitteltemperaturprofils, der dem in Gegenrichtung verlaufenden Strömungsmuster zugeordnet ist, durch eine Kühlmitteltemperatur gekennzeichnet ist, die abnimmt, wenn sich der Reaktand dem Reaktandenausgang nähert.
Anordnung für elektrochemische Umwandlung nach Anspruch 5, wobei der Kathodenströmungsfeldabschnitt und der Kühlmittelströmungsfeldabschnitt derart ausgestaltet sind, dass ein Abschnitt des Betriebskühlmitteltemperaturprofils, der dem in gleicher Richtung verlaufenden Strömungsmuster zugeordnet ist, durch eine Kühlmitteltemperatur gekennzeichnet ist, die zunimmt, wenn sich der Reaktand von dem Reaktandeneingang weg bewegt.
Anordnung für elektrochemische Umwandlung nach Anspruch 1, wobei: die Zelle für elektrochemische Umwandlung einen aktiven Bereich definiert; der Kühlmitteleingang und der Kühlmittelausgang entlang entgegengesetzter Ränder einer Hauptseite des aktiven Bereiches positioniert sind; und der Reaktandeneingang und der Reaktandenausgang entlang eines gemeinsamen Randes einer Hauptseite des aktiven Bereiches positioniert sind.
Anordnung für elektrochemische Umwandlung nach Anspruch 7, wobei der Reaktandenströmungsfeldabschnitt ein im Wesentlichen U-förmiges Reaktandenströmungsmuster definiert.
Anordnung für elektrochemische Umwandlung nach Anspruch 1, wobei: die Zelle für elektrochemische Umwandlung einen aktiven Bereich definiert; der Kühlmitteleingang und der Kühlmittelausgang entlang entgegengesetzter Ränder einer Hauptseite des aktiven Bereiches positioniert sind; und der Reaktandeneingang und der Reaktandenausgang entlang entgegengesetzter Ränder einer Hauptseite des aktiven Bereiches positioniert sind.
Anordnung für elektrochemische Umwandlung nach Anspruch 9, wobei der Kühlmittelströmungsfeldabschnitt ein im Wesentlichen konvergentes Kühlmittelströmungsmuster definiert.
Anordnung für elektrochemische Umwandlung nach Anspruch 10, wobei das Kühlmittelströmungsmuster in relativ enger Nähe zu dem Kühlmittelausgangsrand des aktiven Bereiches konvergiert.
Anordnung für elektrochemische Umwandlung nach Anspruch 1, wobei die Anordnung für elektrochemische Umwandlung ferner einen Befeuchter, der derart ausgebildet ist, um den Reaktanden zu befeuchten, und eine Kühlmittelversorgung umfasst, die derart ausgebildet ist, um das Kühlfluid durch den Kühlmittelströmungsfeldabschnitt zu lenken.
Anordnung für elektrochemische Umwandlung nach Anspruch 12, wobei der Befeuchter und die Kühlmittelversorgung derart ausgestaltet sind, um den Reaktand auf zumindest etwa 100 % RF an dem Reaktandeneingang und zumindest etwa 164 % an dem Reaktandenausgang zu befeuchten.
Anordnung für elektrochemische Umwandlung nach Anspruch 12, wobei der Befeuchter, die Kühlmittelversorgung und die Reaktanden- und Kühlmittelströmungsfelder derart ausgestaltet sind, dass der Reaktand bei oder oberhalb etwa 100 % RF zwischen dem Reaktandeneingang und dem Reaktandenausgang bleibt.
Anordnung für elektrochemische Umwandlung nach Anspruch 12, wobei der Befeuchter, die Kühlmittelversorgung und die Reaktanden- und Kühlmittelströmungsfelder derart ausgestaltet sind, um Tour, eine Temperatur an dem Kühlmittelausgang, bei nicht größer als etwa 10°C über T_IN, eine Temperatur an dem Kühlmitteleingang, zu halten.
Anordnung für elektrochemische Umwandlung nach Anspruch 12, wobei der Befeuchter, die Kühlmittelversorgung und die Reaktanden- und Kühlmittelströmungsfelder derart ausgestaltet sind, um T_MAX bei kleiner als etwa 10°C über T_MIN zu halten.
Anordnung für elektrochemische Umwandlung nach Anspruch 12, wobei der Befeuchter und die Kühlmittelversorgung derart ausgebildet sind, um den Reaktand auf zumindest etwa 100 % RF an dem Reaktandeneingang zu befeuchten und eine Differenz zwischen T_MAX und T_MIN unter etwa 10°C über das Kühlmittelströmungsfeld hinweg zu halten.
Anordnung für elektrochemische Umwandlung nach Anspruch 1, wobei die Anordnung für elektrochemische Umwandlung eine Vielzahl von Zellen für elektrochemische Umwandlung, die als ein Brennstoffzellenstapel angeordnet sind, einen Wasserabscheider und einen Befeuchter umfasst, wobei: der Brennstoffzellenstapel eine Vielzahl von Kathodenströmungsfeldabschnitten umfasst, die jeweils in Verbindung mit dem Reaktandenausgang stehen; der Reaktandenausgang derart ausgestaltet ist, um befeuchteten Reaktand an den Wasserabscheider zu lenken; der Wasserabscheider derart ausgestaltet ist, um Wasser an den Befeuchter zu lenken und entfeuchteten Reaktand auszutragen; und der Befeuchter derart ausgestaltet ist, um mit der Reaktandenversorgung bei der Befeuchtung des Reaktanden zusammenzuwirken.
Anordnung für elektrochemische Umwandlung mit zumindest einer Zelle für elektrochemische Umwandlung, die derart ausgebildet ist, um einen ersten und zweiten Reaktanden in elektrische Energie umzuwandeln, wobei die Anordnung für elektrochemische Umwandlung eine Reaktandenversorgung, die derart ausgestaltet ist, um einen befeuchteten Reaktand an einen Kathodenströmungsfeldabschnitt der Anordnung für elektrochemische Umwandlung zu liefern, und eine Kühlmittelversorgung umfasst, die derart ausgestaltet ist, um ein Kühlfluid an einen Kühlmittelströmungsfeldabschnitt der Anordnung für elektrochemische Umwandlung zu liefern, wobei: der Kathodenströmungsfeldabschnitt einen Reaktandeneingang und einen Reaktandenausgang definiert und eine Gruppierung getrenn ter Reaktandenströmungspfade umfasst, die jeweils in Verbindung mit dem Reaktandeneingang und dem Reaktandenausgang stehen; der Kühlmittelströmungsfeldabschnitt einen Kühlmitteleingang, einen Kühlmittelausgang definiert und eine Gruppierung getrennter Kühlmittelströmungspfade umfasst, die jeweils in Verbindung mit dem Kühlmitteleingang und dem Kühlmittelausgang stehen; der Kühlmittelströmungsfeldabschnitt eine Gruppierung getrennter Kühlmittelströmungspfade umfasst, die jeweils in Verbindung mit dem Kühlmitteleingang und dem Kühlmittelausgang stehen, und ein Betriebskühlmitteltemperaturprofil definiert, das durch Bereiche mit relativ niedriger Kühlmitteltemperatur T_MIN und Bereiche mit relativ hoher Kühlmitteltemperatur T_MAX gekennzeichnet ist; der Kathodenströmungsfeldabschnitt und der Kühlmittelströmungsfeldabschnitt derart ausgestaltet sind, dass die Bereiche mit relativ niedriger Kühlmitteltemperatur T_MIN in engerer thermischer Verbindung mit dem Reaktandeneingang und dem Reaktandenausgang positioniert sind, als die Bereiche mit relativ hoher Kühlmitteltemperatur T_MAX.
Schema zum Betrieb einer Anordnung für elektrochemische Umwandlung, die zumindest eine Zelle für elektrochemische Umwandlung umfasst, die derart ausgestaltet ist, um einen ersten und zweiten Reaktanden in elektrische Energie umzuwandeln, wobei die Anordnung für elektrochemische Umwandlung eine Reaktandenversorgung, die derart ausgebildet ist, um einen befeuchteten Reaktand an einen Kathodenströmungsfeldabschnitt der Anordnung für elektrochemische Umwandlung zu liefern, und eine Kühlmittelversorgung umfasst, die derart ausgebildet ist, um ein Kühlfluid an einen Kühlmittelströmungsfeldabschnitt der Anordnung für elektrochemische Umwandlung zu liefern, wobei das Schema umfasst, dass: der Kathodenströmungsfeldabschnitt so ausgestaltet wird, dass er einen Reaktandeneingang und einen Reaktandenausgang definiert; der Kühlmittelströmungsfeldabschnitt derart ausgestaltet wird, dass er einen Kühlmitteleingang, einen Kühlmittelausgang und ein Betriebskühlmitteltemperaturprofil definiert, das durch Bereiche mit relativ niedriger Kühlmitteltemperatur T_MIN und Bereiche mit relativ hoher Kühlmitteltemperatur T_MAX gekennzeichnet ist; der Kathodenströmungsfeldabschnitt und der Kühlmittelströmungsfeldabschnitt derart ausgestaltet werden, dass die Bereiche mit relativ niedriger Kühlmitteltemperatur T_MIN in engerer thermischer Verbindung mit dem Reaktandeneingang und dem Reaktandenausgang positioniert werden, als die Bereiche mit relativ hoher Kühlmitteltemperatur T_MAX; und der Reaktand auf zumindest etwa 100 % RF an dem Reaktandeneingang befeuchtet wird.
Schema zum Betrieb einer Anordnung für elektrochemische Umwandlung nach Anspruch 20, wobei die Kühlmittelversorgung so betrieben wird, um Tour, eine Temperatur an dem Kühlmittelausgang, bei nicht größer als etwa 10°C über T_IN, eine Temperatur an dem Kühlmitteleingang, zu halten.
Schema zum Betrieb einer Anordnung für elektrochemische Umwandlung nach Anspruch 20, wobei die Kühlmittelversorgung betrieben wird, um T_MAX bei kleiner als etwa 10°C über T_MIN zu halten.
Fahrzeug mit der Anordnung für elektrochemische Umwandlung nach Anspruch 1, wobei die Anordnung für elektrochemische Umwandlung als eine Quelle für Antriebsenergie für das Fahrzeug dient.