DE102011009109B9

DE102011009109B9 - Brennstoffzelle mit Mitteln zum Regulieren der Leistungsabgabe und Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102011009109B9
Application number: DE102011009109A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Tran Trong
Original assignee: Diehl Aerospace GmbH
Current assignee: Diehl Aerospace GmbH
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2031-01-22
Also published as: US20120189934A1; DE102011009109B4; DE102011009109A1

Abstract

Eine Brennstoffzelle (120, 140, 160; 220, 240, 260; 320, 340, 360) mit: einer Anodeneinrichtung (122, 142, 162; 222, 242, 262; 322, 342, 362), die einen Brennstoffeinlass (128, 148, 168; 228, 248, 268; 328, 348, 368), beispielsweise einen Wasserstoffeinlass, aufweist, einer Kathodeneinrichtung (124, 144, 164; 224, 244, 264; 324, 344, 364), die einen Oxidationsmitteleinlass (130, 150, 170; 230, 250, 270; 330, 350, 370), beispielsweise einen Sauerstoffeinlass, aufweist, einer Membran (126, 146, 166; 226, 246, 266; 326, 346, 366), die zwischen der Anodeneinrichtung und der Kathodeneinrichtung angeordnet ist, und Mitteln (132, 152, 172; 332, 352, 372; 234, 236, 254, 256, 274, 276; 334, 336, 354, 356, 374, 376) zum Selbstregulieren der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle, die einer Verringerung der Ausgangsleistung entgegenwirken bzw. die Ausgangsleistung im Wesentlichen unabhängig von der Betriebsdauer und der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle regulieren, wobei die Mittel zum Selbstregulieren der Ausgangsleistung eine Brennstoffzuführungseinrichtung (234, 254, 274, 334, 354, 374) mit einer selbst regulierenden Brennstoffzufuhr und/oder eine Oxidationsmittelzuführungseinrichtung (236, 256, 276; 336, 356, 376) mit einer selbst regulierenden Oxidationsmittelzufuhr umfassen, ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einer Anodeneinrichtung, die einen Brennstoffeinlass aufweist, einer Kathodeneinrichtung, die einen Oxidationsmitteleinlass aufweist, und einer Membran, die zwischen der Anodeneinrichtung und der Kathodeneinrichtung angeordnet ist, und auf eine Brennstoffzelleneinheit mit zwei oder mehr Brennstoffzellen.
Derartige Brennstoffzellen sind an sich bekannt und umfassen eine Anode mit einem Wasserstoffeinlass, eine Kathode mit einem Sauerstoffeinlass und eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Membran. Eine derartige Brennstoffzelle liefert eine Ausgangsspannung von ca. 1 Volt. Um eine höhere Spannung zu erzielen, werden zwei oder mehr Brennstoffzellen in Reihe bzw. Serie geschaltet und zusammen gepackt zu einer Brennstoffzelleneinheit, die wegen der im Wesentlichen stapelförmigen Packung der einzelnen Brennstoffzellen auch Stack (englisch für: Stapel) genannt wird. Einer jeweiligen Anode wird Wasserstoff in gasförmiger Form (H₂) als Brennstoff und einer jeweiligen Anode Sauerstoff in gasförmiger Form (O₂) als Oxidationsmittel zugeführt. Die Versorgung der Anode mit Wasserstoffgas und die Versorgung der Kathode mit Sauerstoffgas erfolgt jeweils im Wesentlichen parallel.
In einer jeweiligen Brennstoffzelle wird an der Anode der Wasserstoff („Brennstoff”) katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Wasserstoff-Ionen (Protonen, H⁺) oxidiert. Während die bei der Oxidation entstehenden Protonen einen Weg durch die Membran hindurch zur Kathode finden, fließen die bei der Oxidation entstehenden Elektronen durch einen äußeren Stromkreis (bzw. einen externen Lastwiderstand) zur Kathode. An der Kathode wird der zugeführte Sauerstoff („Oxidationsmittel”) durch die Aufnahme der Elektronen zu Anionen (O^2–) reduziert, die unmittelbar danach mit den Wasserstoff-Ionen (H⁺) zu Wasser (H₂O) reagieren.
Die an der Anode der jeweiligen Brennstoffzelle entstehenden Wasserstoff-Ionen (Protonen, p1, p2, p3, siehe z. B. 1) gelangen also durch die Membran der Brennstoffzelle zur Kathode derselben Brennstoffzelle und werden beim Vorliegen eines Stapels mit zwei oder mehr identischen Brennstoffzellen mit den Anionen (e2, e3, e1), die von einer im gleichen Stapel angeordneten, benachbarten Brennstoffzelle stammen oder die durch den äußeren Stromkreis geflossen sind, rekombiniert. Eine derartige, aus zwei oder mehr identischen Brennstoffzellen bestehende Brennstoffzelleneinheit ist in einem dynamischen elektrochemischen Gleichgewicht und liefert ihre maximale Leistung.
Aufgrund von Toleranzen bzw. Schwankungen der Eigenschaften der Elemente (Anode, Membran, Kathode) der Brennstoffzellen in einer Serienschaltung einer Brennstoffzelleneinheit sind die einzelnen Brennstoffzellen jedoch normalerweise nicht exakt gleich ausgebildet. Zudem nimmt die elektrische Ausgangsleistung jeder Brennstoffzelle – und dadurch im gleichen Maße auch die Ausgangsleistung der Brennstoffzelleneinheit – durch Materialermüdung oder Temperaturbelastung an der Kathode bzw. Anode im Verlauf fortschreitender Betriebsdauer ab. Die hinsichtlich ihrer Ausgangsspannung schwächste der Brennstoffzellen bestimmt bzw. begrenzt die Gesamtleistung der Brennstoffzelleneinheit. So kann im ungünstigen Fall der Ausfall einer einzelnen Brennstoffzelle zum Ausfall der gesamten Brennstoffzelleneinheit führen.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 102 36 998 A1 offenbart eine elektrochemische Zelle mit einer Kanalstruktur für die Zufuhr, Zirkulation und Abfuhr von für den Betrieb der Zelle notwendigen Fluiden. Zur selbsttätigen Steuerung mindestens eines Fluidstroms ist mindestens ein den Strömungsquerschnitt veränderndes Element in mindestens einem Kanal der Kanalstruktur intergriert. Das Element ist bevorzugt als temperaturabhängig sich in der Länge veränderndes Bimetallelement oder als feuchtigkeitsabhängig sich im Volumen veränderlicher Quellkörper ausgebildet.
Die deutsche Patentschrift DE 100 37 062 B4 offenbart ein Brennstoffzellensystem, bei dem ein Hauptströmungsweg eines Mediums zumindest über eine Länge in einen ersten und einen zweiten parallelen Hauptströmungsweg aufgespalten und anschließend wieder zusammengeführt ist, wobei zumindest im ersten Strömungsweg ein Strömungsumlenkmittel vorgesehen ist, um den ersten Strömungsweg temperaturabhängig freizugeben oder abzusperren. Dieses Strömungsumlenkmittel ist bevorzugt als Bimetallelement ausgebildet, welches durch temperaturabhängige Längenänderung den ersten Strömungsweg zumindest mittelbar abdeckt oder freigibt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, dem Abnehmen der Ausgangsleistung einzelner Brennstoffzellen beim Betrieb einer Brennstoffzelleneinheit entgegenzuwirken.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Brennstoffzelle mit einer Anodeneinrichtung, die einen Brennstoffeinlass aufweist, einer Kathodeneinrichtung, die einen Oxidationsmitteleinlass aufweist, und einer zwischen der Anodeneinrichtung und der Kathodeneinrichtung angeordneten Membran.
Erfindungsgemäß weist die Brennstoffzelle Mittel auf zum Selbstregulieren der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle, die einer Verringerung der Ausgangsleistung entgegenwirken bzw. die Ausgangsleistung im Wesentlichen unabhängig von der Betriebsdauer und der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle regulieren.
Gemäß einem ersten Aspekt sind die Mittel gemäß der Erfindung Mittel zum Selbstregulieren der Ausgangsleistung. Das bedeutet, dass keine externe oder eine auf einer gezielten Messung von Betriebsparametern der Brennstoffzelle basierte Regelungseinrichtung erforderlich ist. Dadurch kann ein Mehraufwand bzw. Mehrkosten bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle begrenzt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt sind die erfindungsgemäßen Mittel dazu ausgebildet, die Ausgangsleistung im Wesentlichen unabhängig von der Betriebsdauer und der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle zu regulieren. Die Betriebsdauer einer Brennstoffzelle kann beim Betrieb naturgemäß nicht auf einen konstanten Wert geregelt werden, sondern schreitet kontinuierlich fort, und mit ihr auch Materialermüdungserscheinungen an der Kathodeneinrichtung bzw. der Anodeneinrichtung und eine dadurch bedingte Abnahme der Ausgangsleistung. Die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle und die dadurch bedingte Temperaturbelastung der Anoden- und Kathodeneinrichtung ist ein problematisch zu erfassender Betriebsparameter, dessen Einfluss nicht im vorhinein bestimmbar ist und der praktisch kaum zu regeln ist, weil die Betriebstemperatur unter anderem von den Umgebungsbedingungen einschließlich der Umgebungstemperatur am Betriebsort und der Ausgangsleistung, insbesondere dem Ausgangsstrom, der Brennstoffzelle bzw. einer Reihenschaltung von Brennstoffzellen (d. h. einer Brennstoffzelleneinheit) abhängt. Für die vorgenannten Probleme liefern die erfindungsgemäßen Mittel gemäß dem zweiten Aspekt Abhilfe.
In der Brennstoffzelle kann der Brennstoffeinlass ein Wasserstoffeinlass und der Oxidationsmitteleinlass ein Sauerstoffeinlass sein.
In einer ersten Ausführungsform können die Mittel zum Selbstregulieren der Ausgangsleistung eine mit der Anodeneinrichtung und der Kathodeneinrichtung elektrisch verbundene Bypass-Diode umfassen.
Die erste Ausführungsform beruht auf der Einsicht der Erfinder, dass im Betrieb der Brennstoffzelle die Durchflussmenge der Wasserstoff-Ionen (Protonen) durch die Membran ein Maß für die Leistung bzw. die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle ist. Wird der Durchfluss der Protonen gestört (verringert), wie etwa durch eine Benetzung der Membran mit Wasser, dann entsteht in der betroffenen Brennstoffzelle an der Anodeneinrichtung ein Überschuss von Wasserstoff-Ionen und an der Kathodeneinrichtung ein Überschuss von Anionen. Infolgedessen nimmt die elektrische Ausgangsspannung der betroffenen Brennstoffzelle ab. Diesbezüglich schafft eine der Brennstoffzelle elektrisch parallel geschaltete Bypass-Diode Abhilfe, indem die Bypass-Diode ermöglicht, dass die überschüssigen Elektronen durch die Bypass-Diode zur Anodeneinrichtung gelangen und dort mit den Protonen rekombinieren können, wodurch der elektrische Strom (Ausgangsstrom) selbst regulierend ausgeglichen und das elektrodynamische Gleichgewicht zwischen den seriell geschalteten Brennstoffzellen in der Brennstoffzelleneinheit wieder hergestellt wird.
Durch Parallelschalten einer Bypass-Diode zu jeder Brennstoffzelle einer Brennstoffzelleneinheit nimmt die Ausgangsspannung der Einheit zwar ab, der Ausgangsstrom bleibt jedoch (zeitlich und für die Brennstoffzellen) konstant. Ohne Bypass-Diode würden sowohl die Ausgangsspannung als auch der Ausgangsstrom mit fortschreitender Betriebsdauer abnehmen. Im schlimmsten Fall könnte dies zum totalen Ausfall einer Brennstoffzelle und somit der gesamten Brennstoffzelleneinheit führen. Durch das Parallelschalten der Bypass-Dioden nimmt die Leistung mit fortschreitender Betriebsdauer wesentlich weniger ab als ohne Bypass-Dioden.
Die Bypass-Diode wird vorzugsweise so geschaltet, dass ihre Durchlassrichtung von der Anodeneinrichtung zur Kathodeneinrichtung weist.
Insbesondere weist jede Bypass-Diode einen ersten und einen zweiten Anschluss auf, wobei der erste Anschluss mit der Anodeneinrichtung und der zweite Anschluss mit der Kathodeneinrichtung elektrisch leitend verbunden wird.
In einer zweiten Ausführungsform können die Mittel zum Selbstregulieren der Ausgangsleistung eine Brennstoffzuführungseinrichtung mit einer selbst regulierenden Brennstoffzufuhr und/oder eine Oxidationsmittelzuführungseinrichtung mit einer selbst regulierenden Oxidationsmittelzufuhr umfassen.
Die zweite Ausführungsform beruht auf der Einsicht der Erfinder, dass im Betrieb der Brennstoffzelle die Membran deren „schwächstes Glied” ist. Jede Membran weist, unabhängig von ihrer Ausführungsform, eine maximale Betriebstemperatur auf, die nicht überschritten werden darf, um die Funktionsfähigkeit der Membran zu gewährleisten. Bedingt durch den stapelartigen Aufbau einer Brennstoffzelleneinheit würde sich sowohl eine gleichmäßige Kühlung der Membranen der Brennstoffzellen als auch eine geregelte Gaszufuhr (Brennstoff- und Oxidationsmittelzufuhr) zu den einzelnen Brennstoffzellen nicht einfach gestalten. Die in der Mitte einer Brennstoffzelleneinheit (bzw. eines Stapels) angeordneten Brennstoffzellen erreichen erfahrungsgemäß die höchsten Betriebstemperaturen.
Die selbst regulierende Brennstoffzufuhr kann durch ein erstes temperaturdehnbares Element und die selbst regulierende Oxidationsmittelzufuhr durch ein zweites temperaturdehnbares Element ausgebildet werden. Das erste und/oder das zweite temperaturdehnbare Element kann temperaturdehnbare Kügelchen umfassen, die jeweils in einem im Wesentlichen temparaturunabhängigen Innenvolumen angeordnet sind. Das erste temperaturdehnbare Element ist dazu ausgebildet, eine temperaturabhängige Regulierung eines effektiven Einlassquerschnitts des Brennstoffeinlasses zu bewirken. Analog kann das zweite temperaturdehnbare Element eine temperaturabhängige Regulierung eines effektiven Einlassquerschnitts des Oxidationsmitteleinlasses bewirken.
Die Brennstoffzuführungseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Brennstoffzufuhr bei in Bezug auf eine Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle zunehmender Betriebstemperatur der Brennstoffzelle zu verringern und bei abnehmender Betriebstemperatur zu vergrößern. Analog dazu kann die Oxidationsmittelzuführungseinrichtung dazu ausgebildet sein, die Oxidationsmittelzufuhr bei in Bezug auf die Soll-Betriebstemperatur zunehmender Betriebstemperatur zu verringern und bei abnehmender Betriebstemperatur zu vergrößern.
Die Mittel zum Selbstregulieren der Ausgangsleistung können mindestens eine mit der Anodeneinrichtung und der Kathodeneinrichtung elektrisch verbundene Bypass-Diode und/oder mindestens eine Brennstoffzuführungseinrichtung mit einer selbst regulierenden Brennstoffzufuhr und eine Oxidationsmittelzuführungseinrichtung mit einer selbst regulierenden Oxidationsmittelzufuhr umfassen.
Nach einem weiteren Aspekt wird auch eine Brennstoffzelleneinheit mit zwei oder mehr Brennstoffzellen bereitgestellt, wobei jede Brennstoffzelle folgendes umfasst: eine Anodeneinrichtung mit einem Brennstoffeinlass, eine Kathodeneinrichtung mit einem Oxidationsmitteleinlass und eine Membran, die zwischen der Anodeneinrichtung und der Kathodeneinrichtung angeordnet ist.
Erfindungsgemäß umfasst mindestens eine Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit (d. h. des Stapels) Mittel zum Selbstregulieren der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle, die einer Verringerung der Ausgangsleistung entgegenwirken bzw. die Ausgangsleistung im Wesentlichen unabhängig von der Betriebsdauer und der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle regulieren.
Die Mittel zum Selbstregulieren der Ausgangsleistung können mindestens eine mit der Anodeneinrichtung und der Kathodeneinrichtung elektrisch verbundene Bypass-Diode und/oder mindestens eine Brennstoffzuführungseinrichtung mit einer selbst regulierenden Brennstoffzufuhr, die z. B. ein erstes temperaturdehnbares Element umfassen kann, und/oder eine Oxidationsmittelzuführungseinrichtung mit einer selbst regulierenden Oxidationsmittelzufuhr, die z. B. ein zweites temperaturdehnbares Element umfassen kann, umfassen.
In der Brennstoffzelleneinheit ist von den zwei oder mehr Brennstoffzellen mindestens eine wie oben beschrieben ausgebildet.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand von in den beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsformen der Erfindung in weiteren Einzelheiten beschrieben. Dabei gilt:
1 zeigt eine Brennstoffzelleneinheit mit mehreren Brennstoffzellen gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 zeigt eine Brennstoffzelleneinheit mit mehreren Brennstoffzellen gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
3 zeigt eine Brennstoffzelleneinheit mit mehreren Brennstoffzellen gemäß einer dritten Ausführungsform.
Für die Wahl der Bezugszeichen gilt hierin folgendes. Die Bezugszeichen aller Elemente der in der 1 gezeigten ersten Ausführungsform der Brennstoffzelleneinheit 100 haben an ihrer Hunderterstelle eine „1”. Die erste, zweite und dritte Brennstoffzelle ist mit dem Bezugszeichen 120, 140 und 160 gekennzeichnet, die sich jeweils um 20 unterscheiden. Dementsprechend unterscheiden sich auch die Bezugszeichen der einzelnen, der ersten, zweiten und dritten Brennstoffzelle zugeordneten Elemente jeweils um 20. Letzteres gilt auch für die in den 2 und 3 gezeigte zweite und dritte Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit 200, 300, für die ferner gilt, dass Elemente, die denen der in der 1 gezeigten ersten Ausführungsform entsprechen, in den in 2 bzw. 3 gezeigten zweiten bzw. dritten Ausführungsformen der Brennstoffzelleneinheiten 200 bzw. 300 an der Hunderterstelle eine „2” bzw. „3” haben. In diesem Zusammenhang wird auch auf die Bezugszeichenliste am Ende der Beschreibung verwiesen.
Bei der in 1 zeigten Brennstoffzelleneinheit 100 gemäß einer ersten Ausführungsform mit drei Brennstoffzellen 120, 140, 160 umfasst jede der drei Brennstoffzellen 120, 140, 160 eine Anodeneinrichtung 122, 142, 162 mit einem zugehörigen Brennstoffeinlass 128, 148, 168, eine Kathodeneinrichtung 124, 144, 164 mit einem zugehörigen Oxidationsmitteleinlass 130, 150, 170, und eine zwischen einer Anode der Anodeneinrichtung und der Kathode der Kathodeneinrichtung angeordnete Membran 126, 146, 166. Die drei Brennstoffzellen 120, 140, 160 sind in einer stapelförmigen Anordnung aneinandergestapelt. Dabei ist zwischen jeweils zwei in der Stapelungsrichtung benachbarten Brennstoffzellen 120 und 140 bzw. 140 und 160 ein elektrisch leitfähiger Kontakt 138 bzw. 158 eingelegt, der eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Kathode 124 bzw. 144 der einen angrenzenden Brennstoffzelle 120 bzw. 140 und der Anode 142 bzw. 162 der anderen, auf der gegenüberliegenden Seite des Kontakts 138 bzw. 158 angrenzenden Brennstoffzelle 140 bzw. 160 herstellt. So ist ein elektrisch leitfähiger Kontakt 138 zwischen der Kathode der Kathodeneinrichtung 124 der ersten Brennstoffzelle 120 und der Anode der Anodeneinrichtung 142 der zweiten Brennstoffzelle 140 eingelegt, und analog ein elektrisch leitfähiger Kontakt 158 zwischen der Kathode der Kathodeneinrichtung 144 der zweiten Brennstoffzelle 140 und der Anode der Anodeneinrichtung 162 der dritten Brennstoffzelle 160. Die Anode der Anodeneinrichtung 122 der ersten Brennstoffzelle ist über einen externen Lastwiderstand 110 bzw. Verbraucher mit der Kathode der Kathodeneinrichtung 164 der dritten Brennstoffzelle 160 elektrisch leitfähig verbunden.
Die Brennstoffeinlässe 128, 148, 168 der ersten, zweiten und dritten Brennstoffzelle 120, 140, 160 sind an einer gemeinsamen Brennstoffzufuhr 180 gemeinsam bzw. parallel und in Fluidkommunikation zueinander angeschlossen. Der den Anoden der Brennstoffzelle zugeführte Brennstoff ist Wasserstoff in gasförmiger Form (H₂). Die Oxidationsmitteleinlässe 130, 150, 170 der ersten, zweiten und dritten Brennstoffzelle 120, 140, 160 sind an einer gemeinsamen Oxidationsmittelzufuhr 190 gemeinsam bzw. parallel und in Fluidkommunikation zueinander angeschlossen. Das den Kathoden der Brennstoffzellen zugeführte Oxidationsmittel ist Sauerstoff in gasförmiger Form (O₂). Eine anodenseitig mit Wasserstoffgas als Brennstoff und kathodenseitig mit Sauerstoffgas als Oxidationsmittel versorgte Brennstoffzelle erzeugt eine elektrische Spannung von ca. 1 V. Durch eine Stapelung (mit Reihenschaltung) von zwei oder mehr, hier: drei Brennstoffzellen 120, 140, 160 mit dazwischen angeordneten leitfähigen Kontakten wird eine elektrische Reihenschaltung dieser Brennstoffzellen ausgebildet, deren Gesamtausgangsspannung der Summe der Ausgangsspannungen der einzelnen Brennstoffzellen entspricht.
Die Durchflussmenge von an der Anode erzeugten Protonen durch die Membran zur Kathode einer jeweiligen Brennstoffzelle ist ein Maß für deren Leistungsfähigkeit bzw. für deren Ausgangsstrom. Wird der Protonendurchfluss gestört, beispielsweise durch Benässen der Membran mit Wasser, dann entsteht in der jeweiligen Brennstoffzelle ein Überschuss von Wasserstoffionen bei der Anode und ein Überschuss von Anionen (reduzierten Sauerstoffionen) bei der Kathode. infolgedessen würde die in der jeweiligen Brennstoffzelle erzeugte elektrische Spannung sinken. Diesen, die Abgabeleistung der Brennstoffzelle verringernden Prozessen wird gemäß einem Aspekt der Erfindung dadurch abgeholfen, dass jeder Brennstoffzelle 120, 140, 160 eine Bypass-Diode 132, 152, 172 parallel geschaltet wird. Die Bypass-Dioden 132, 152, 172 sind mit ihren jeweiligen elektrischen Anschlüssen so mit der Brennstoffzelle elektrisch verbunden, dass die Durchlassrichtung der Bypass-Diode von der Anode zur Kathode der jeweiligen Brennstoffzelle weist. Die Durchlassrichtung entspricht einer Durchlassrichtung fiktiver positiver Ladungsträger; die Laufrichtung der tatsächlich vorhandenen negativen Ladungsträger (Elektronen) verläuft in umgekehrter Richtung, das heißt von der Kathode durch die Bypass-Diode zur Anode der jeweiligen Brennstoffzelle. Durch die Bypass-Diode gelangen die überschüssigen Elektroden zur Anode und rekombinieren dort mit den Protonen. So wird das dynamische elektrochemische Gleichgewicht in der Brennstoffzelle wiederhergestellt und der elektrische Strom durch die Brennstoffzelle selbstregulierend ausgeglichen. Zwar nimmt die Gesamtausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 100 ab, der Gesamtausgangsstrom bleibt jedoch konstant. Ohne die Bypass-Dioden würden sowohl die Ausgangsspannung als auch der Gesamtausgangsstrom abnehmen. In diesem Sinne stellen die Bypass-Dioden 132, 152, 172 der ersten Ausführungsform der Brennstoffzelleneinheit 100 Mittel gemäß einem Hauptanspruch der Erfindung dar zum Selbstregulieren der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle, die einer Verringerung der Ausgangsleistung entgegenwirken bzw. die Ausgangsleistung im Wesentlichen unabhängig von der Betriebsdauer und der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle regulieren.
Bei der in 2 gezeigten Brennstoffzelleneinheit 200 weisen die drei Brennstoffzelleneinheiten 220, 240, 260 im Wesentlichen den gleichen inneren Aufbau und die gleiche Stapelanordnung auf wie die Brennstoffzellen 120, 140, 160 der in 1 gezeigten ersten Brennstoffzelleneinheit 100.
Die Brennstoffzellen 220, 240, 260 der Brennstoffzelleneinheit 200 unterscheiden sich jedoch von den Brennstoffzellen 120, 140, 160 der Brennstoffzelleneinheit 100 dadurch, dass bei den Brennstoffzellen 220, 240, 260 keine Bypass-Dioden vorgesehen sind, sondern dass der Brennstoffeinlass 228, 248, 268 einer jeweiligen Brennstoffzelle eine Brennstoffzuführungseinrichtung 234, 254, 274 aufweist und dass der Oxidationsmitteleinlass 230, 250, 270 einer jeweiligen Brennstoffzelle eine Oxidationsmittelzuführungseinrichtung 236, 256, 276 aufweist. Jede Brennstoffzuführungseinrichtung 234, 254, 274 weist ein jeweils im Wesentlichen identisches Innenvolumen (nicht gekennzeichnet) auf, das mit temperaturdehnbaren Kügelchen als eine Ausführungsform erster temperaturdehnbarer Elemente 235, 255, 275 der Brennstoffzuführungseinrichtung 234, 254, 274 gefüllt ist. Die temperaturdehnbaren Kügelchen ändern ihre Linearabmessungen bzw. ihr Volumen proportional zur Änderung der Temperatur bzw. proportional zur dritten Potenz der Temperatur. Bei einer Temperaturerhöhung dehnen sich die Kügelchen aus und verringern dadurch einen effektiven Einlassquerschnitt für die Zufuhr des Brennstoffs (Wasserstoffgas, H₂) zur Anode.
In analoger Weise weisen auch die Oxidationsmittelzuführungseinrichtungen 236, 256, 276 jeweils identische, im Wesentlichen von der Temperatur unabhängige Innenvolumen (nicht bezeichnet) auf, die mit temperaturdehnbaren Kügelchen als Ausführungsform zweiter temperaturdehnbarer Elemente 237, 257, 277 gefüllt sind. Bei einer Temperaturerhöhung dehnen sich die temperaturdehnbaren Kügelchen 236, 256, 276 aus und verringern dadurch einen effektiven Einlassquerschnitt für die Zuführung des Oxidationsmittels (Sauerstoffgas, O₂) zur Kathode.
Die temperaturdehnbaren Kügelchen als Ausführungsformen der ersten bzw. zweiten temperaturdehnbaren Elemente 235, 255, 275 bzw. 237, 257, 277 der Brennstoff- bzw. Oxidationsmittelzufuhr bewirken eine temperaturabhängige Regulierung der Gaszufuhr, die sich bei zunehmender Temperatur selbstregulierend erniedrigt und bei abnehmender Temperatur selbstregulierend erhöht. Dadurch wird der üblicherweise bekannten Verringerung der Abgabeleistung einer Brennstoffzelle in Abhängigkeit von der Temperatur der Brennstoffzelle entgegengewirkt. In diesem Sinne stellen die in den Innenvolumina angeordneten, temperaturdehnbaren Kügelchen eine zweite Ausführungsform dar von Mitteln gemäß einem Hauptanspruch der Erfindung zum Selbstregulieren der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle, die einer Verringerung der Ausgangsleistung entgegenwirken bzw. die Ausgangsleistung im Wesentlichen unabhängig von der Betriebsdauer und der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle regulieren.
Bei der in der 3 gezeigten dritten Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit 300 weisen die drei Brennstoffzellen 320, 340, 360 und die stapelförmige Anordnung der Zellen einen jeweils im Wesentlichen gleichen internen Aufbau bzw. eine gleiche Stapelanordnung auf wie die Brennstoffzellen 120, 140, 160 der in 1 gezeigten Brennstoffzelleneinheit 100.
Jede der in 3 gezeigten Brennstoffzellen 320, 340, 360 umfasst eine Bypass-Diode 332, 352, 372, die in gleicher Weise einer jeweiligen Brennstoffzelle parallel geschaltet ist wie die Bypass-Dioden in den Brennstoffzellen 120, 140, 160 der in der 1 gezeigten Brennstoffzelleneinheit 100. Die Bypass-Dioden 132, 152, 172 in der ersten Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit 100 bzw. die Bypass-Dioden 332, 352, 372 in der dritten Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit 300 stellen eine Ausführungsform gemäß einem ersten Aspekt für die erfindungsgemäßen Mittel zum Selbstregulieren der Ausgangsleistung der Brennstoffzellen dar. Die Bypass-Dioden wirken einer Verringerung der Ausgangsleistung entgegen, wie oben beschrieben.
Jede der in 3 gezeigten Brennstoffzellen 320, 340, 360 der Brennstoffzelleneinheit 300 weist auch in ihrem Brennstoffeinlass 328, 348, 368 eine Brennstoffzuführungseinrichtung 334, 354, 374 auf, die mit temperaturdehnbaren Kügelchen als Ausführungsform erster temperaturdehnbarer Elemente 335, 355, 375 gefüllt sind, analog zu den Brennstoffzuführungseinrichtungen 234, 254, 274 der in 2 gezeigten Brennstoffzelleneinheit 200. Ebenso weist jede der Brennstoffzellen 320, 340, 360 in ihrem Oxidationsmitteleinlass 330, 350, 370 eine Oxidationsmittelzuführungseinrichtung 336, 356, 376 auf, die mit temperaturdehnbaren Kügelchen als Ausführungsform zweiter temperaturdehnbarer Elemente 337, 357, 377 gefüllt ist, analog zu den Oxidationsmittelzuführungseinrichtungen 236, 256, 276 der in 2 gezeigten Brennstoffzelleneinheit 200. Die mit den temperaturdehnbaren Kügelchen gefüllten Brennstoffzuführungseinrichtungen 234, 254, 274 bzw. 334, 354, 374 der Brennstoffzelleneinheiten 200 bzw. 300 und die mit den temperaturdehnbaren Kügelchen gefüllten Oxidationsmittelzuführungseinrichtungen 236, 256, 276 bzw. 336, 356, 376 der zweiten bzw. dritten Brennstoffzelleneinheit 200 bzw. 300 stellen Ausführungsformen gemäß einem zweiten Aspekt dar für die Mittel zum Selbstregulieren der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle, die die Ausgangsleistung im Wesentlichen unabhängig von der Betriebsdauer und der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle regulieren.
Die Wirkungsweise der Bypass-Dioden bzw. der Brennstoff- und Oxidationsmittelzuführungseinrichtungen mit den temperaturdehnbaren Elementen (Kügelchen) wurde hierin als selbstregulierend bezeichnet; sie könnte auch mit dem Begriff „automatisch” bezeichnet werden in dem Sinne, dass die elektrische Ausgangsleistung einer Brennstoffzelle automatisch, das heißt ohne Einwirkung von aktiv geregelten Mitteln die Ausgangsleistung der jeweiligen Brennstoffzelle weitestgehend gleich bzw. konstant hält.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzelleneinheit
110: Lastwiderstand
120, 140, 160: Brennstoffzelle
122, 142, 162: Anodeneinrichtung
124, 144, 164: Kathodeneinrichtung
126, 146, 166: Membran
128, 148, 168: Brennstoffeinlass
130, 150, 170: Oxidationsmitteleinlass
132, 152, 172: Bypass-Diode
138, 158: elektrisch leitfähiger Kontakt
180: Brennstoffzufuhr
190: Oxidationsmittelzufuhr
200: Brennstoffzelleneinheit
210: Lastwiderstand
220, 240, 260: Brennstoffzelle
222, 242, 262: Anodeneinrichtung
224, 244, 264: Kathodeneinrichtung
226, 246, 266: Membran
228, 248, 268: Brennstoffeinlass
230, 250, 270: Oxidationsmitteleinlass
234, 254, 274: Brennstoffzuführungseinrichtung
235, 255, 275: erstes temperaturdehnbares Element
236, 256, 276: Oxidationsmittelzuführungseinrichtung
237, 257, 277: zweites temperaturdehnbares Element
238, 258: elektrisch leitfähiger Kontakt
280: Brennstoffzufuhr
290: Oxidationsmittelzufuhr
300: Brennstoffzelleneinheit
310: Lastwiderstand
320, 340, 360: Brennstoffzelle
322, 342, 362: Anodeneinrichtung
324, 344, 364: Kathodeneinrichtung
326, 346, 366: Membran
328, 348, 368: Brennstoffeinlass
330, 350, 370: Oxidationsmitteleinlass
332, 352, 372: Bypass-Diode
334, 354, 374: Brennstoffzuführungseinrichtung
335, 355, 375: erstes temperaturdehnbares Element
336, 356, 376: Oxidationsmittelzuführungseinrichtung
337, 357, 377: zweites temperaturdehnbares Element
338, 358: elektrisch leitfähiger Kontakt
380: Brennstoffzufuhr
390: Oxidationsmittelzufuhr

Claims

Eine Brennstoffzelle (120, 140, 160; 220, 240, 260; 320, 340, 360) mit: einer Anodeneinrichtung (122, 142, 162; 222, 242, 262; 322, 342, 362), die einen Brennstoffeinlass (128, 148, 168; 228, 248, 268; 328, 348, 368), beispielsweise einen Wasserstoffeinlass, aufweist, einer Kathodeneinrichtung (124, 144, 164; 224, 244, 264; 324, 344, 364), die einen Oxidationsmitteleinlass (130, 150, 170; 230, 250, 270; 330, 350, 370), beispielsweise einen Sauerstoffeinlass, aufweist, einer Membran (126, 146, 166; 226, 246, 266; 326, 346, 366), die zwischen der Anodeneinrichtung und der Kathodeneinrichtung angeordnet ist, und Mitteln (132, 152, 172; 332, 352, 372; 234, 236, 254, 256, 274, 276; 334, 336, 354, 356, 374, 376) zum Selbstregulieren der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle, die einer Verringerung der Ausgangsleistung entgegenwirken bzw. die Ausgangsleistung im Wesentlichen unabhängig von der Betriebsdauer und der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle regulieren, wobei die Mittel zum Selbstregulieren der Ausgangsleistung eine Brennstoffzuführungseinrichtung (234, 254, 274, 334, 354, 374) mit einer selbst regulierenden Brennstoffzufuhr und/oder eine Oxidationsmittelzuführungseinrichtung (236, 256, 276; 336, 356, 376) mit einer selbst regulierenden Oxidationsmittelzufuhr umfassen, und die selbst regulierende Brennstoffzufuhr ein erstes temperaturdehnbares Element (235, 255, 275; 335, 355, 375) und die selbst regulierende Oxidationsmittelzufuhr ein zweites temperaturdehnbares Element (237, 257, 277; 337, 357, 377) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite temperaturdehnbare Element (235, 255, 275; 335, 355, 375; 237, 257, 277; 337, 357, 377) temperaturdehnbare Kügelchen (235, 277; 335, 377), die jeweils in einem im Wesentlichen temparaturunabhängigen Innenvolumen angeordnet sind, umfassen.
Brennstoffzelle (120, 140, 160; 320, 340, 360) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Selbstregulieren der Ausgangsleistung eine mit der Anodeneinrichtung (122, 142, 162; 322, 342, 362) und der Kathodeneinrichtung (124, 144, 164; 324, 344, 364) elektrisch verbundene Bypass-Diode (132, 152, 172; 332, 352, 372) umfassen.
Brennstoffzelle (120, 140, 160; 320, 340, 360) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Diode (132, 152, 172; 332, 352, 372) eine Durchlassrichtung von der Anodeneinrichtung (122, 142, 162; 322, 342, 362) zur Kathodeneinrichtung (124, 144, 164; 324, 344, 364) aufweist.
Brennstoffzelle (120, 140, 160; 320, 340, 360) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Diode (132, 152, 172; 332, 352, 372) einen ersten und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei der erste Anschluss mit der Anodeneinrichtung (122, 142, 162; 322, 342, 362) und der zweite Anschluss mit der Kathodeneinrichtung (124, 144, 164; 324, 344, 364) elektrisch leitend verbunden ist.
Brennstoffzelle (220, 240, 260; 320, 340, 360) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste temperaturdehnbare Element (235, 255, 275; 335, 355, 375) eine temperaturabhängige Regulierung eines effektiven Einlassquerschnitts des Brennstoffeinlasses (228, 248, 268; 328, 348, 368) und/oder dass das zweite temperaturdehnbare Element (237, 257, 277; 337, 357, 377) eine temperaturabhängige Regulierung eines effektiven Einlassquerschnitts des Oxidationsmitteleinlasses (230, 250, 270; 330, 350, 370) bewirkt.
Brennstoffzelle (220, 240, 260; 320, 340, 360) nach einem der Ansprüche 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuführungseinrichtung (234, 254, 274, 334, 354, 374) dazu ausgebildet ist, die Brennstoffzufuhr bei in Bezug auf eine Soll-Betriebstemperatur der Brennstoffzelle zunehmender Betriebstemperatur der Brennstoffzelle zu verringern und bei abnehmender Betriebstemperatur zu vergrößern und/oder dass die Oxidationsmittelzuführungseinrichtung (236, 256, 276; 336, 356, 376) dazu ausgebildet ist, die Oxidationsmittelzufuhr bei in Bezug auf die Soll-Betriebstemperatur zunehmender Betriebstemperatur zu verringern und bei abnehmender Betriebstemperatur zu vergrößern.
Brennstoffzelle (120, 140, 160; 220, 240, 260; 320, 340, 360) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Selbstregulieren der Ausgangsleistung mindestens eine mit der Anodeneinrichtung und der Kathodeneinrichtung elektrisch verbundene Bypass-Diode (132, 152, 172; 332, 352, 372) und mindestens eine Brennstoffzuführungseinrichtung (234, 254, 274, 334, 354, 374) mit einer selbst regulierenden Brennstoffzufuhr und/oder eine Oxidationsmittelzuführungseinrichtung (236, 256, 276; 336, 356, 376) mit einer selbst regulierenden Oxidationsmittelzufuhr umfassen.
Brennstoffzelleneinheit (100; 200; 300) mit zwei oder mehr Brennstoffzellen (120, 140, 160; 220, 240, 260; 320, 340, 360), von denen mindestens eine nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.