DE102012011863A1

DE102012011863A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102012011863A1
Application number: DE102012011863A
Authority: DE
Inventors: Rainer Bauer
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2013-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle (10), welche eine Membran-Elektroden-Anordnung (12) umfasst. Diese ist zwischen einer ersten Separatorplatte (22) mit Verteilungskanälen (24) für die Verteilung eines Brennstoffs und einer zweiten Separatorplatte (26) mit Verteilungskanälen (28) für die Verteilung eines Oxidationsmittels angeordnet. Eine Befeuchtungseinrichtung (30) zum Befeuchten einer Membran (16) der Membran-Elektroden-Anordnung (12) mit einem Befeuchtungsmedium (42) umfasst wenigstens zwei weitere Kanäle (32, 34) für das Befeuchtungsmedium (42), welche in zumindest einer der beiden Separatorplatten (26) ausgebildet sind. Die Kanäle (32, 34) münden an voneinander verschiedenen Stellen in die dieser Separatorplatte (26) zugeordneten Verteilungskanäle (28) ein. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle, welche eine Membran-Elektroden-Anordnung umfasst. Die Membran-Elektroden-Anordnung ist zwischen einer ersten Separatorplatte mit Verteilungskanälen für die Verteilung eines Brennstoffs und einer zweiten Separatorplatte mit Verteilungskanälen für die Verteilung eines Oxidationsmittels angeordnet. Zum Befeuchten einer Membran der Membran-Elektroden-Anordnung mit einem Befeuchtungsmedium ist eine Befeuchtungseinrichtung vorgesehen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.
Der prinzipielle Aufbau einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle – kurz PEMFC – ist wie folgt. Die PEMFC enthält eine Membran-Elektroden-Anordnung – kurz MEA, die aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Polymer-Elektrolyt-Membran (auch Ionomer-Membran) – kurz PEM – aufgebaut ist. Die MEA ist ihrerseits wiederum zwischen zwei Separatorplatten angeordnet, wobei eine Separatorplatte Verteilungskanäle für die Verteilung von Brennstoff aufweist und die andere Separatorplatte Verteilungskanäle für die Verteilung von Oxidationsmittel und wobei die Verteilungskanäle der MEA zugewandt sind. Die Verteilungskanäle bilden eine Kanalstruktur, ein sog. Flow Field. Die Elektroden, Anode und Kathode, sind im Allgemeinen als Gasdiffusionselektroden – kurz GDE – ausgebildet. Diese haben die Funktion, den bei der elektrochemischen Reaktion (z. B. 2H₂ + O₂ → 2H₂O) erzeugten Strom abzuleiten und die Reaktionsstoffe, Edukte und Produkte, durchdiffundieren zu lassen. Eine GDE besteht aus wenigstens einer Gasdiffusionsschicht bzw. Gasdiffusionslage – kurz GDL – und einer Katalysatorschicht, die der PEM zugewandt ist und an der die elektrochemische Reaktion abläuft. Die GDE kann ferner noch eine Gasverteilungslage aufweisen, die sich der Gasdiffusionslage anschließt und die in der PEMFC einer Separatorplatte zugewandt ist. Gasdiffusionslage und Gasverteilungslage unterscheiden sich v. a. in ihren Porengrößen und damit in der Art des Transportmechanismus für einen Reaktionsstoff (Diffusion bzw. Verteilung).
Eine derartige Brennstoffzelle kann bei relativ geringen Betriebstemperaturen elektrischen Strom mit hoher Leistung erzeugen. Reale Brennstoffzellen sind meist zu so genannten Brennstoffzellenstapeln – kurz Stacks – gestapelt, um eine hohe Leistungsabgabe zu erzielen, wobei anstelle der monopolaren Separatorplatten bipolare Separatorplatten, so genannte Bipolarplatten, eingesetzt werden und monopolare Separatorplatten nur die beiden endständigen Abschlüsse des Stacks bilden. Sie werden z. T. Endplatten genannt und können sich baulich erheblich von den Bipolarplatten unterscheiden.
Die Bipolarplatten sind im Allgemeinen aus zwei Teilplatten zusammengesetzt. Diese Teilplatten weisen im Wesentlichen komplementäre und bzgl. einer Spiegelebene spiegelbildliche Formen auf. Die Teilplatten müssen aber nicht zwingend spiegelbildlich sein. Wichtig ist lediglich, dass sie zumindest eine gemeinsame Berührungsfläche aufweisen, an der sie verbunden werden können. Die Teilplatten weisen eine unebene Topographie auf. Hierdurch entstehen an den jeweils voneinander weg weisenden Oberflächen der Teilplatten die vorstehend bereits erwähnten Kanalstrukturen. An den jeweils aufeinander zuweisenden Oberflächen der Teilplatten besteht z. B. bei geprägten metallischen Teilplatten die zur o. g. Kanalstruktur komplementäre Kanalstruktur. Beim Aufeinanderlegen der beiden Teilplatten entsteht dadurch zwischen den Teilplatten, auf deren zueinander hin weisenden Oberflächen, ein Hohlraum, welcher aus einem System mehrerer miteinander verbundener Tunnels besteht. Der Hohlraum bzw. das System der Tunnels ist durch eine im Wesentlichen die Teilplatten im Randbereich umlaufende Fügung flüssigkeitsdicht umrandet, wobei Öffnungen zur Kühlmittelzufuhr und -abfuhr vorgesehen sind, sodass der Hohlraum für die Verteilung eines Kühlmittels genutzt werden kann.
Somit gehört zu den Aufgaben einer Bipolarplatte: Die Verteilung von Oxidationsmittel und von Reduktionsmittel; die Verteilung von Kühlmittel und somit die Kühlung (besser gesagt Temperierung) der Brennstoffzellen; Die fluidische Trennung der Einzelzellen eines Stacks voneinander; ferner die elektrische Kontaktierung der hintereinander geschalteten Einzelzellen eines Stacks und somit die Durchleitung des von den Einzelzellen erzeugten elektrischen Stroms.
Eine PEM kann mehrere Komponenten enthalten. Die wichtigste Komponente ist dabei ein oder mehrere protonenleitfähige Ionomere. Ferner können verstärkende Komponenten wie z. B. organische Fasern (insbesondere PTFE-Fasern) und/oder anorganische Fasern (insbesondere Glasfasern) enthalten sein, die z. B. als Gewebe oder Gewirke ausgebildet sein können. Ferner können Füllstoffe enthalten sein, wie z. B. Metalloxid-Partikel (insbesondere Kieselgel, SiO₂), die z. B. bei der Feuchthaltung der PEM eine Funktion übernehmen. Darüber hinaus können weitere Komponenten enthalten sein, wie z. B. Phosphorsäure, niedermolekulare Amphotere (insbesondere Imidazol und/oder Pyrazol). Eine PEM kann aber auch aus einem protonenleitfähigen Glasfilm bestehen, insbesondere aus einem nanoporösen Phosphosilicat-Glasfilm. Ist auf eine oder beide Hauptoberflächen der PEM eine Katalysatorschicht aufgebracht, so wird im allgemeinen von einer Catalyst Coated Membrane – kurz CCM – gesprochen.
Die US 2009/0208798 A1 beschreibt die Befeuchtung eines Brennstoffzellenstapels, indem in die Zuluft, welche in dort als Flow Field bezeichneten Verteilungskanäle eingebracht wird, zum Befeuchten Wasser injiziert wird. Über eine Versorgungsleitung für das Wasser wird das Wasser im Bereich einer Engstelle der Zuluftleitung in den Zuluftstrom eingebracht, sodass das Wasser fein zerstäubt wird. Dann strömt die mit den feinen Wassertröpfchen beaufschlagte Zuluft durch die Verteilungskanäle, welche in jeweiligen Separatorplatten des Brennstoffzellenstapels ausgebildet sind.
Des Weiteren beschreibt die DE 198 21 766 C1 ein Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellensystem, bei welchem für die Prozessgase jeweilige Versorgungsleitungen vorgesehen sind. In zumindest einer der Prozessgas-Versorgungsleitungen innerhalb eines Brennstoffzellenstapels ist eine Leitung zur Flüssigkeitsverteilung angeordnet, wobei dieser Flüssigkeitsverteiler mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Schallwellen verbunden ist. Auslassöffnungen des Flüssigkeitsverteilers sind hierbei im Bereich von Einlässen in die Verteilungskanäle für das Prozessgas angeordnet, und die Flüssigkeit tritt in die Strömungsrichtung des Prozessgases in die Verteilungskanäle ein. Auch hier wird die von dem Flüssigkeitsverteiler infolge der Beaufschlagung desselben mit Schallwellen abgegebene Flüssigkeit mit dem Prozessgas mitgeführt und so im Bereich der Verteilungskanäle verteilt.
Als nachteilig ist bei derartigen Brennstoffzellensystemen der Umstand anzusehen, dass die Einstellung einer gewünschten Feuchtigkeit der Membran nicht immer zufriedenstellend sichergestellt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems zu schaffen, mittels welchem sich auf verbesserte Weise eine gewünschte Befeuchtung der Membran erreichen lässt.
Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem umfasst die Befeuchtungseinrichtung wenigstens zwei weitere Kanäle, welche für das Befeuchtungsmedium vorgesehen sind und welche in zumindest einer der Separatorplatten ausgebildet sind. Hierbei münden die wenigstens zwei weiteren Kanäle an voneinander verschiedenen Stellen in die dieser Separatorplatte zugeordneten Verteilungskanäle ein. Dadurch kann die Membran gezielt dort mit dem Befeuchtungsmedium beaufschlagt werden, wo dies zum Aufrechterhalten einer hohen Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle günstig ist. Neben der Aufrechterhaltung der Elektronenleitfähigkeit der Membran wirkt sich deren Befeuchtung auch auf die Lebensdauer der Membran positiv aus.
Die weiteren Kanäle sind durch die Separatorplatte selber gebildet, wobei die weiteren Kanäle außenumfangsseitig geschlossen sind. Demgegenüber sind die Verteilungskanäle zur Membran-Elektroden-Anordnung hin von der Membran-Elektroden-Anordnung begrenzt. Die Verteilungskanäle sind also im Zusammenwirken der Separatorplatte mit der Membran-Elektroden-Anordnung gebildet. Dadurch, dass die wenigstens zwei weiteren Kanäle in der Separatorplatte ausgebildet sind, brauchen nicht mühselig und aufwändig Leitungen verlegt zu werden, um das Befeuchtungsmedium an verschiedenen Stellen der Verteilungskanäle – also des Flow Fields – austreten zu lassen. Durch das direkte Befeuchten der Membran mittels der wenigstens zwei weiteren Kanäle kann zudem auf einen separaten Befeuchter verzichtet werden. Dadurch vereinfacht sich der Aufbau des Brennstoffzellensystems. Des Weiteren kann der Befeuchtungszustand der Membran so besonders exakt eingestellt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein jeweiliger Auslass der wenigstens zwei Kanäle quer zu der Membran-Elektroden-Anordnung ausgerichtet. Mit anderen Worten verläuft eine Achse des jeweiligen Auslasses, durch welche eine Hauptsprührichtung beim Austritt des Befeuchtungsmediums aus dem Auslass definierbar ist, unter einem Winkel von etwa 60° bis 120° zu der Membran-Elektroden-Anordnung. Dadurch kann eine besonders direkte Beaufschlagung der Membran mit dem Befeuchtungsmedium sichergestellt werden. Dies gilt insbesondere, wenn der Auslass senkrecht zu der Membran-Elektroden-Anordnung ausgerichtet ist, seine Achse also zumindest im Wesentlichen senkrecht auf der Membran-Elektroden-Anordnung steht.
Eine besonders gute Verteilung des Befeuchtungsmediums auf der Membran ist erreichbar, wenn der jeweilige Auslass als Düse ausgebildet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein Ausstoßelement vorgesehen, mittels welchem das Befeuchtungsmedium aus den mindestens zwei weiteren Kanälen auf die Membran-Elektroden-Anordnung aufbringbar ist. Beispielsweise können die wenigstens zwei weiteren Kanäle mit dem Befeuchtungsmedium gefüllt sein, und das Aktivieren des Ausstoßelements führt dann zum Ausstoßen des Befeuchtungsmediums aus den Kanälen. Durch das Ansteuern eines solchen Ausstoßelements kann besonders gezielt und bedarfsgerecht die Befeuchtung der Membran eingestellt werden.
Hierbei kann einem jeweiligen der wenigstens zwei weiteren Kanäle ein jeweiliges Ausstoßelement zugeordnet sein. Dadurch ist es möglich, gezielt Bereiche der Verteilungskanäle zu befeuchten, in welchen – insbesondere vorübergehend – ein erhöhter Bedarf an Feuchtigkeit besteht.
Das wenigstens eine Ausstoßelement kann als Piezoelement ausgebildet sein. Hierbei verformt sich ein Piezokristall unter elektrischer Spannung, und daraufhin wird das Befeuchtungsmedium aus dem Kanal herausgepresst. Durch wiederholtes Ansteuern des Piezoelements kann die Menge des innerhalb eines Zeitintervalls aus dem Kanal austretenden Befeuchtungsmediums besonders exakt eingestellt werden.
Zusätzlich oder alternativ kann das wenigstens eine Ausstoßelement als Heizelement ausgebildet sein, welches zum Verdampfen eines Volumens des Befeuchtungsmediums ausgelegt ist. Das Ausbilden einer Dampfblase des Befeuchtungsmediums infolge des Ansteuerns des Heizelements führt dann zum Herauspressen oder Ausstoßen des Befeuchtungsmediums aus dem Kanal.
Besonders genau lässt sich der Feuchtigkeitshaushalt in einem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapel regeln oder steuern, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das wenigstens eine Ausstoßelement mittels einer Steuerungseinrichtung in Abhängigkeit von einem Befeuchtungszustand der Membran ansteuerbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mündet in eine Strömungsrichtung des Oxidationsmittels oder des Brennstoffs durch die Verteilungskanäle gesehen stromaufwärts eine größere Anzahl an weiteren Kanälen in die Verteilungskanäle ein als stromabwärts. Mit anderen Worten ist die Dichte der weiteren Kanäle stromaufwärts größer als stromabwärts, sodass am Eingang eines Brennstoffzellenstapels mehr Befeuchtungsmedium zudosiert werden kann als an dessen Ausgang.
Dies trägt dem Umstand Rechnung, dass eingangsseitig eines Brennstoffzellenstapels, insbesondere am Anoden und/oder Kathodeneingang jeder Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels, zumeist ein höherer Bedarf an Befeuchtungsmedium besteht als am Ausgang des Brennstoffzellenstapels bzw. am Ausgang der Einzelzellen, da sich infolge der Brennstoffzellenreaktion innerhalb der Einzelzellen entlang der Strömungswege Produktwasser bildet, sodass sich die Einzelzellen in Strömungsrichtung vom Anoden- oder Kathodeneingang zum Anoden- oder Kathodenausgang nach und nach selbst befeuchtet. Das beim Betrieb der Brennstoffzelle entstehende Produktwasser, welches durch die Verteilungskanäle gefördert wird, trägt nämlich zu einer Befeuchtung der stromabwärts angeordneten Bereiche der Verteilungskanäle bei.
Besonders einfach lassen sich die weiteren Kanäle ausbilden, indem in einen Grundkörper der Separatorplatte Hohlräume eingebracht werden. Dies kann im Anschluss an das Herstellen der Verteilungskanäle erfolgen oder zusammen mit diesem. Insbesondere bei einer graphitischen Separatorplatte können die weiteren Kanäle durch Bohren in den Grundkörper eingebracht werden. Bei einer metallischen Separatorplatte können zusätzlich oder alternativ beim Herstellen derselben Einleger vorgesehen sein, welche die Ausbildung der weiteren Kanäle in einem Umformprozess oder einem Urformprozess bewirken.
Wenn als Einleger ein außenumfangsseitig geschlossener, etwa nach Art eines Schlauchs oder Röhrchens ausgebildeter, Hohlkörper vorgesehen ist, so kann dieser nach der Herstellung der Separatorplatte in den Grundkörper derselben eingebettet verbleiben. Wenn der umfangsseitig vollständig von dem Material des Grundkörpers umschlossene Hohlkörper aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist, so ist im Betrieb der Befeuchtungseinrichtung eine elektrische Isolation des Befeuchtungsmediums sichergestellt.
Von Vorteil ist es insbesondere, wenn die wenigstens zwei weiteren Kanäle in die für die Verteilung des Oxidationsmittels vorgesehenen Verteilungskanäle einmünden. Üblicherweise wird nämlich die Luft oder der Sauerstoff, welche bzw. welcher in die Verteilungskanäle eingebracht wird, vorab verdichtet und dann gekühlt, sodass eine Befeuchtung der Zuluft besonders anzuraten ist, um ein Austrocknen der Membran zu verhindern.
Wenn eine weitergehende Befeuchtung der Membran wünschenswert ist, können jedoch auch die für die Verteilung des Brennstoffs vorgesehenen Verteilungskanäle über entsprechende, in der zugeordneten Separatorplatte ausgebildete weitere Kanäle mit dem Befeuchtungsmedium beaufschlagt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die wenigstens zwei weiteren Kanäle über zumindest eine Verbindungsleitung mit einer Pumpeinrichtung verbunden, mittels welcher das Befeuchtungsmedium mit einem Druck beaufschlagbar ist. So kann besonders einfach eine stetige Nachlieferung des Befeuchtungsmediums sichergestellt werden.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die zumindest eine Verbindungsleitung eine Verstelleinrichtung aufweist, welche einen Einlass für das Oxidationsmittel aufweist und über welche zusätzlich oder alternativ zu dem Befeuchtungsmedium das Oxidationsmittel in die Verbindungsleitung einbringbar ist. Die Verstelleinrichtung, welche als 3/2-Wege-Ventil oder als Proportionalventil ausgebildet sein kann, ermöglicht es also, alternativ zu dem Befeuchtungsmedium beispielsweise Luft als Oxidationsmittel in die für die Verteilung des Oxidationsmittels vorgesehenen Verteilungskanäle einzubringen. Dadurch können Flüssigkeitströpfchen in Form von Wasser, insbesondere von Produktwasser, aus der Brennstoffzelle entfernt werden.
Ein solches Ausblasen von Wassertröpfchen aus der Brennstoffzelle ist insbesondere dann günstig, wenn der Brennstoffzellenstapel Temperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser ausgesetzt ist, da dann nach dem Ausblasen keine gefrorenen Wassertröpfchen ein Durchströmen der Verteilungskanäle oder der weiteren Kanäle behindern können.
Insbesondere im Bereich eines Ausgangs des Brennstoffzellenstapels vorliegende Feuchteanlagerungen oder Wassertröpfchen können so aus dem Brennstoffzellenstapel herausgespült werden.
Auch ermöglicht das Beaufschlagen der Verteilungskanäle mit dem Oxidationsmittel über die weiteren Kanäle ein Nachdosieren von Oxidationsmittel, wenn in die Strömungsrichtung des Oxidationsmittels gesehen stromabwärts der Gehalt an Oxidationsmittel in den Verteilungskanälen verringert ist.
Des Weiteren kann in zumindest einer der beiden Separatorplatten wenigstens ein Fluidkanal für Brennstoff oder ein Fluidkanal für Oxidationsmittel ausgebildet sein, welcher in die Verteilungskanäle für den Brennstoff oder in die Verteilungskanäle für das Oxidationsmittel einmündet. Ein Fluidkanal für Brennstoff ermöglicht es, den Brennstoff gezielt dort einzubringen, wo aufgrund der Brennstoffzellenreaktion einen Verbrauch an Brennstoff stattgefunden hat.
Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es zu einer Degradation oder Korrosion des Brennstoffzellenstapels kommen kann, wenn sich entlang der Membran-Elektroden-Anordnung unterschiedliche Potenziale ausbilden. Dazu kann es insbesondere nach dem Herunterfahren des Brennstoffzellenstapels kommen, wenn das Oxidationsmittel unter anderem durch die Membran der Membran-Elektroden-Anordnung hindurch von der Kathode zu der Anode gelangt. Wird der Brennstoffzellenstapel lediglich für kurze Zeit heruntergefahren oder außer Betrieb genommen, liegen also zwischen dem Abschalten und einem Neustart des Brennstoffzellensystems nur kurze Pausen, so lässt sich eine bedeutend geringere Korrosion oder Degradation des Brennstoffzellenstapels beobachten als bei einem Neustart nach langem Stillstand. Um diese verringerte Degradation zu erreichen, kann über den wenigstens einen Fluidkanal Brennstoff auf der Anodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung nachdosiert werden.
Des Weiteren können im Brennstoffzellenstapel Bereiche auftreten, welche innerhalb der einzelnen Brennstoffzelle unterschiedlich gut mit Brennstoff versorgt sind. Auch hier kann das Nachdosieren von Brennstoff in einen schlechter mit Brennstoff versorgten Bereich der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems verbessern.
Wenn über den wenigstens einen Fluidkanal Oxidationsmittel in die für die Verteilung des Oxidationsmittels vorgesehene Verteilungskanäle eingebracht wird, kann dies zum Ausblasen von Flüssigkeitströpfchen aus den Verteilungskanälen genutzt werden. Zusätzlich oder alternativ kann das gezielte Einbringen des Oxidationsmittels die Leistungsfähigkeit es Brennstoffzellensystems verbessern, indem an schlechter mit dem Oxidationsmittel versorgten Bereichen der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels Oxidationsmittel nachdosiert wird.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn in eine Strömungsrichtung des Oxidationsmittels oder des Brennstoffs durch die Verteilungskanäle gesehen stromabwärts eine größere Anzahl an Fluidkanälen in die Verteilungskanäle einmündet als stromaufwärts. So kann besonders gut sichergestellt werden, dass in an Brennstoff oder Oxidationsmittel verarmten Bereichen der Brennstoffzelle der Brennstoff oder das Oxidationsmittel nachgeliefert wird. Dies kann insbesondere mittels einer Steuerungseinrichtung in Abhängigkeit von einem Versorgungszustand der Membran mit dem Oxidationsmittel oder dem Brennstoff erfolgen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird eine Membran einer Membran-Elektroden-Anordnung wenigstens einer Brennstoffzelle mit einem Befeuchtungsmedium beaufschlagt. Die Membran-Elektroden-Anordnung ist hierbei zwischen einer ersten Separatorplatte mit Verteilungskanälen für die Verteilung eines Brennstoffs und einer zweiten Separatorplatte mit Verteilungskanälen für die Verteilung eines Oxidationsmittels angeordnet. Das Befeuchtungsmedium wird der Membran über wenigstens zwei weitere Kanäle zugeführt, welche in zumindest einer der beiden Separatorplatten ausgebildet sind. Über diese Kanäle tritt das Befeuchtungsmedium an voneinander verschiedenen Stellen in die dieser Separatorplatte zugeordneten Verteilungskanäle ein. Es kann so besonders gezielt über die einzelnen Separatorplatten die zum Befeuchten der zugehörigen Membran vorzusehende Feuchtigkeit zugeführt werden.
Die für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
1 schematisch eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels, wobei in einer Bipolarplatte der Brennstoffzelle zusätzlich zu den für die Verteilung des Oxidationsmittels vorgesehenen Verteilungskanälen weitere Kanäle vorgesehen sind, über welche Wasser in die Verteilungskanäle eingesprüht und so eine Membran der Brennstoffzelle befeuchtet werden kann;
2 schematisch den Aufbau einer Befeuchtungseinrichtung, welche das gezielte Zuführen des Wassers in die Verteilungskanäle ermöglicht;
3 eine Variante der Brennstoffzelle, bei welcher die Befeuchtungseinrichtung zusätzlich oder alternativ ein Einbringen von Oxidationsmittel in die für die Verteilung des Oxidationsmittels vorgesehenen Verteilungskanäle ermöglicht; und
4 eine weitere Variante der Brennstoffzelle, bei welcher die beiden Bipolarplatten jeweilige Fluidkanäle aufweisen, über welche Brennstoff bzw. Oxidationsmittel in die jeweiligen Verteilungskanäle eindosiert werden kann, wobei zusätzlich über weitere Kanäle die Membran der Brennstoffzelle befeuchtet wird.
Von einem Brennstoffzellensystem, welches insbesondere elektrische Energie für ein Fahrzeug bereitstellen kann, ist in 1 schematisch eine Brennstoffzelle 10 gezeigt. Eine Mehrzahl derartiger Brennstoffzellen 10 ist in dem Brennstoffzellensystem in einem Brennstoffzellenstapel oder Stack angeordnet. Eine Membran-Elektroden-Anordnung 12 der jeweiligen Brennstoffzelle 10 umfasst eine Anode 14, eine Polymer-Elektrolyt-Membran 16 und eine Kathode 18. Ränder der Polymer-Elektrolyt-Membran 16 sind von einer umlaufenden Dichtung 20 eingefasst.
Die Brennstoffzelle 10 umfasst eine erste Separatorplatte oder Bipolarplatte 22, auf deren der Anode 14 zugewandter Seite im Zusammenwirken mit der Membran-Elektroden-Anordnung 12 Verteilungskanäle 24 für die Verteilung des Wasserstoffgases ausgebildet sind. Auf Seiten der Kathode 18 ist eine zweite Bipolarplatte 26 vorgesehen, welche auf ihrer der Kathode 18 zugewandten Seite im Zusammenwirken mit der Membran-Elektroden-Anordnung 12 Verteilungskanäle 28 für das Oxidationsmittel, beispielsweise für Luft bildet. Die Verteilungskanäle 24, 28 bilden also ein jeweiliges Flow Field. Die Luft und der Wasserstoff durchströmen vorliegend die Verteilungskanäle 24, 28 in eine Längsrichtung X der Brennstoffzelle 10.
Die Bipolarplatten 22, 26, welche mit der Dichtung 20 in Anlage sind, können aus einem kohlenstoffhaltigen Material gebildet sein, etwa aus einem durch Zugabe von Graphit leitfähig gemachten Kunststoff, oder aus einem Metall.
Zum Befeuchten der in die Brennstoffzelle 10 eingebrachten Luft ist eine Befeuchtungseinrichtung 30 vorgesehen (vergleiche 2), welche eine Vielzahl von Kanälen 32, 34 umfasst, welche als in einen Grundkörper 36 der Bipolarplatte 26 eingebrachte Hohlräume ausgebildet sind. Mit anderen Worten ist der Grundkörper 36 der Bipolarplatte 26 von den Kanälen 32, 34 durchzogen, von denen in 1 lediglich zwei schematisch gezeigt sind.
Die Kanäle 32, 34 weisen als Auslässe jeweilige Düsen 38 auf, und sie münden an voneinander verschiedenen Stellen in das durch die Verteilungskanäle 28 der kathodenseitigen Bipolarplatte 26 gebildete Flow Field ein. Hierbei verbinden die Kanäle 32, 34 jeweilige Einlässe 40, welche beispielsweise an einer Stirnseite der Bipolarplatte 26 ausgebildet sind, mit einer jeweiligen Düse 38.
Durch diese Kanäle 32, 34 tritt im Betrieb der Brennstoffzelle 10 zum Befeuchten der Polymer-Elektrolyt-Membran 16 als Befeuchtungsmedium Wasser hindurch, welches in Form eines Sprühstrahls 42 aus den Düsen 38 austritt.
Vorliegend sind die Düsen 38 derart in der Bipolarplatte 26 angeordnet, dass der Sprühstrahl 42 im Wesentlichen senkrecht auf die Membran-Elektroden-Anordnung 12 auftrifft. Eine entsprechende Achse A der jeweiligen Düse 38, welche die Hauptrichtung des Sprühstrahls 42 angibt, fällt gemäß 1 mit einer Hochrichtung Z der Brennstoffzelle 10 zusammen. Durch den mehr oder weniger senkrecht auf die Membran-Elektroden-Anordnung 12 auftreffenden Sprühstrahl 42 ist eine besonders direkte Befeuchtung der Polymer-Elektrolyt-Membran 16 sichergestellt.
Zudem tritt über die dem jeweiligen Kanal 32, 34 zugeordnete Düse 38 das Wasser an unterschiedlichen Stellen in dem durch die Verteilungskanäle 28 gebildeten Flow Field aus, sodass die Befeuchtung der Polymer-Elektrolyt-Membran 16 je nach Bedarf besonders gut eingestellt werden kann.
Insbesondere können hierbei in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels durch die Verteilungskanäle 28 gesehen stromaufwärts mehr Düsen 38 vorgesehen sein als stromabwärts. An einer Eingangsseite des Brennstoffzellenstapels herrscht nämlich üblicherweise ein größerer Feuchtigkeitsbedarf, während in stromabwärts angeordneten Bereichen der Verteilungskanäle 28 das bei der Brennstoffzellenreaktion gebildete Produktwasser für eine Befeuchtung der Polymer-Elektrolyt-Membran 16 sorgt.
Zum Bereitstellen des aus den Düsen 38 austretenden Wassers umfasst die Befeuchtungseinrichtung 30 einen Wassertank 44 und eine Pumpe 46 (vergleiche 2). Bei der Pumpe 46 kann es sich insbesondere um eine Hochdruckpumpe handeln.
Von der Pumpe 46 führt eine Verbindungsleitung oder Dosierleitung 48 zu einem Ausstoßelement welches beispielsweise als Piezokristall 50 ausgebildet sein kann. Durch diese Ausbildung der Befeuchtungseinrichtung 30 ist ein Pumpe-Düse-Prinzip realisiert.
Durch Ansteuern mittels eines Steuergeräts 52 (vergleiche 2) wird der Piezokristall 50 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt und so verformt. Durch diese Verformung wird das Wasser durch die Kanäle 32, 34 hindurchgedrückt, und es tritt als Sprühstrahl 42 aus der zu dem jeweiligen Kanal 32, 34 gehörigen Düse 38 aus.
Die Dosierleitung 48 ist hierfür in – beispielsweise in 3 näher dargestellter Art und Weise – mit den Einlässen 40 der jeweiligen Kanäle 32, 34 verbunden. Der Piezokristall 50 befindet sich hier stromaufwärts von Verzweigungsstellen der Dosierleitung 48, welche zu wenigstens zwei Einlässen 40 führen. Alternativ kann ein jeweiliger Piezokristall 50 dem jeweiligen Einlass 40 zugeordnet sein.
Es kann also außerhalb der Bipolarplatte 26 ein einziges der Bipolarplatte 26 zugeordnetes Ausstoßelement in Form des Piezokristalls 50 vorgesehen sein, sodass durch Ansteuern dieses Piezokristalls 50 die Flüssigkeit aus allen den jeweiligen Kanälen 32, 34 zugeordneten Düsen 38 austritt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass jedem der Kanäle 32, 34 ein entsprechender piezoelektrischer Schwinger zugeordnet ist, sodass die Düsen 38 einzeln angesteuert werden können. So lässt sich die Feuchte der Polymer-Elektrolyt-Membran 16 besonders gut regeln.
Es können auch einem jeweiligen Kanal 32, 34 mehrere Düsen 38 zugeordnet sein, sodass über einen Kanal 32, 34 ein aus mehreren Düsen 38 austretender Sprühstrahl 42 bereitgestellt werden kann. Die Düsen 38 können im Bereich von Flanken der Verteilungskanäle 28 oder am Grund eines solchen Verteilungskanals, also an einer von der Kathode 18 weiter beabstandeten Stelle im jeweiligen Verteilungskanal 28 angeordnet sein.
Wie aus 2 ersichtlich ist, kann dem Wassertank 44 ein Filter 54 vorgeschaltet sein, und der Wassertank 44 kann über eine Versorgungsleitung 56 mit Wasser befüllt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wassertank 44 mit dem von den Brennstoffzellen bei der Brennstoffzellenreaktion entstehenden Produktwasser befüllt wird, weil dann Wasser nicht oder nur selten nachgetankt werden muss.
Bei der in 3 gezeigten Variante der Brennstoffzelle 10 ist in der Dosierleitung 48 als Verstelleinrichtung ein Ventil 58 vorgesehen, welches beispielsweise als 3/2-Wege-Ventil oder als Proportionalventil ausgebildet sein kann. Das Ventil 58 weist einen Einlass für Zuluft auf, welche durch eine an das Ventil 58 angeschlossene Leitung 60 strömt. In dieser der Luftansaugung dienenden Leitung 60 ist vorliegend ein Verdichter 62 angeordnet. Über die Leitung 60 kann also je nach Ventilstellung des Ventils 58 dem Wasser aus dem Wassertank 44 Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel zugemischt werden.
Es kann auch in einer Ventilstellung des Ventils 68 die Wasserzufuhr zu den Einlässen 40 komplett unterbunden werden, sodass ausschließlich Luft durch die Dosierleitung 48 strömt. Ein solcher Betriebsmodus ist beispielsweise dann günstig, wenn die Brennstoffzellen 10 des Brennstoffzellenstapels ausgeblasen werden sollen, um ein Einfrieren von Wasser oder Produktwasser in dem Brennstoffzellenstapel zu verhindern.
Ein solches Ausblasen ist insbesondere auf einer Ausgangsseite des Brennstoffzellenstapels, also in Bereichen der Verteilungskanäle 28 vorteilhaft, welche in die Längsrichtung X weiter stromabwärts angeordnet sind. Gerade im Bereich des Ausgangs des Brennstoffzellenstapels sind nämlich vermehrt Produktwassertröpfchen vorhanden.
Durch das Zudosieren von Luft oder einem solchen Oxidationsmittel anstelle des Befeuchtungsmediums kann aber auch sichergestellt werden, dass insbesondere auf Seiten des Ausgangs des Brennstoffzellenstapels keine Unterversorgung mit Luft vorliegt. Es kann also gezielt Luft nachdosiert werden. Dies gilt insbesondere, wenn sich in vorliegend nicht näher gezeigter Art und Weise die einzelnen Einlässe 40 separat und gezielt mit Luft – gegebenenfalls auch zusätzlich zu dem Befeuchtungsmedium Wasser – beaufschlagen lassen.
Die Befeuchtungseinrichtung 30 ermöglicht ein gezieltes Befeuchten der den einzelnen Bipolarplatten 26 zugeordneten Membran-Elektroden-Anordnungen 12 der jeweiligen Brennstoffzelle 10. So kann der Wassereintrag in die Brennstoffzelle 10 besonders genau geregelt bzw. gesteuert werden, und ein separater Befeuchter, welcher üblicherweise als Membranbefeuchter mit Hohlfasermembranen ausgebildet ist, kann entfallen.
Bei der in 4 gezeigten Variante der Brennstoffzelle 10 sind zwei getrennte Versorgungssysteme für das Befeuchtungsmedium und das Oxidationsmittel in der auf Seiten der Kathode 18 angeordneten Bipolarplatte 26 vorgesehen. So mündet die Leitung 60, über welche der Verdichter 62 verdichtete Luft bereitstellt, nicht in die Dosierleitung 48 ein. Vielmehr führt die Leitung 60 zu einer Mehrzahl von Einlässen 64, welche auf einer den Einlässen 40 gegenüber liegenden Seite der Bipolarplatte 26 angeordnet sind. Von den Einlässen 64 aus führen Fluidkanäle 66 zu jeweiligen Auslässen 68, welche in die Verteilungskanäle 28 für das Oxidationsmittel einmünden. Vorliegend ist lediglich einer dieser Fluidkanäle 66 schematisch gezeigt, jedoch sind in die jeweiligen Einlässe 64 mit jeweiligen Auslässen 68 über jeweilige Fluidkanäle 66 verbunden. Auch hier kann über Ventile oder ein Ausstoßelement nach Art eines piezoelektrischen Schwingers gegebenenfalls eingestellt werden, aus welchen der Auslässe 68 das Oxidationsmittel austreten soll. Die aus den jeweiligen Auslässen 68 austretende Luft ist in 4 als Sprühkegel 70 veranschaulicht.
Über die aus den Auslässen 68 austretende Luft können vor dem Abschalten des Brennstoffzellensystems Wassertröpfchen aus den Verteilungskanälen 28 ausgeblasen werden. Zusätzlich oder alternativ kann in Bereiche Luft eingebracht werden, welche mit Luft unterversorgt sind.
Auch die auf Seiten der Anode 14 angeordnete Bipolarplatte 22 kann, wie in 4 gezeigt, Einlässe 72 aufweisen, welche über jeweilige Fluidkanäle 74 hin zu Auslässen 76 führen, über welche der Brennstoff in die Verteilungskanäle 24 für den Brennstoff eingebracht werden kann. Wasserstoffgas 78 als Beispiel für den Brennstoff, welcher aus den in die Verteilungskanäle 24 einmündenden Fluidkanälen 74 austritt, ist in 4 schematisch veranschaulicht. Um über die Fluidkanäle 74 das Wasserstoffgas 78 an unterschiedlichen Stellen in die Verteilungskanäle 24 einbringen zu können, verzweigt sich eine Wasserstoffleitung 80 zu den einzelnen Einlässen 72.
In der Wasserstoffleitung 80 ist vorliegend ein Ventil 82 vorgesehen, über welches die über die Fluidkanäle 74 in die Verteilungskanäle 24 eingebrachte Menge an Wasserstoffgas 78 eingestellt werden kann. Ein solches, den Druck einer Wasserstoffversorgung minderndes Ventil 82 kann insbesondere als Proportionalventil ausgebildet sein.
Des Weiteren kann im Bereich der Wasserstoffleitung 80 wenigstens ein Ventil und/oder wenigstens ein piezoelektrischer Schwinger für das gezielte Einbringen von Wasserstoff in bestimmte Bereiche der Verteilungskanäle 24 sorgen. So können insbesondere mit Wasserstoff unterversorgte oder an Wasserstoff verarmte Bereiche der Verteilungskanäle 24 mit dem Wasserstoffgas 78 beaufschlagt werden. Es wird dann also in schlecht versorgte Bereiche des Brennstoffzellenstapels Wasserstoffgas 78 nachdosiert.
Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Vermeidung einer Degradation oder Korrosion der Brennstoffzelle 10 sinnvoll. Durch das Nachdosieren von Wasserstoffgas 78 können nämlich Potenzialunterschiede entlang der Membran-Elektroden-Anordnung 12 sehr gering gehalten werden, welche sich ansonsten nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems einstellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0208798 A1 [0007]
DE 19821766 C1 [0008]

Claims

Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug, mit wenigstens einer Brennstoffzelle (10), welche eine Membran-Elektroden-Anordnung (12) umfasst, welche zwischen einer ersten Separatorplatte (22) mit Verteilungskanälen (24) für die Verteilung eines Brennstoffs und einer zweiten Separatorplatte (26) mit Verteilungskanälen (28) für die Verteilung eines Oxidationsmittels angeordnet ist, und mit einer Befeuchtungseinrichtung (30) zum Befeuchten einer Membran (16) der Membran-Elektroden-Anordnung (12) mit einem Befeuchtungsmedium (42), dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtungseinrichtung (30) wenigstens zwei weitere Kanäle (32, 34) für das Befeuchtungsmedium (42) umfasst, welche in zumindest einer der beiden Separatorplatten (26) ausgebildet sind und welche an voneinander verschiedenen Stellen in die dieser Separatorplatte (26) zugeordneten Verteilungskanäle (28) einmünden.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger, insbesondere als Düse (38) ausgebildeter, Auslass der wenigstens zwei weiteren Kanäle (32, 34) quer, insbesondere senkrecht, zu der Membran-Elektroden-Anordnung (12) ausgerichtet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch wenigstens ein Ausstoßelement (50), mittels welchem das Befeuchtungsmedium (42) aus den wenigstens zwei weiteren Kanälen (32, 34) auf die Membran-Elektroden-Anordnung (12) aufbringbar ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass einem jeweiligen der wenigstens zwei weiteren Kanäle (32, 34) ein jeweiliges Ausstoßelement (50) zugeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine, insbesondere als Piezoelement (50) und/oder als zum Verdampfen eines Volumens des Befeuchtungsmediums (42) ausgelegtes Heizelement ausgebildete, Ausstoßelement (50) mittels einer Steuerungseinrichtung (52) in Abhängigkeit von einem Befeuchtungszustand der Membran (12) ansteuerbar ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Strömungsrichtung des Oxidationsmittels oder des Brennstoffs durch die Verteilungskanäle (24, 28) gesehen stromaufwärts eine größere Anzahl an weiteren Kanälen (32, 34) in die Verteilungskanäle (24, 28) einmündet als stromabwärts.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei weiteren, insbesondere als in einen Grundkörper (36) der Separatorplatte (26) eingebrachte Hohlräume ausgebildeten, Kanäle (32, 34) in die für die Verteilung des Oxidationsmittels vorgesehenen Verteilungskanäle (28) einmünden.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei weiteren Kanäle (32, 34) über zumindest eine Verbindungsleitung (48) mit einer Pumpeinrichtung (46) verbunden sind, mittels welcher das Befeuchtungsmedium (42) mit einem Druck beaufschlagbar ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Verbindungsleitung (48) eine Verstelleinrichtung (58) aufweist, welche einen Einlass für das Oxidationsmittel aufweist und über welche zusätzlich oder alternativ zu dem Befeuchtungsmedium (42) das Oxidationsmittel in die Verbindungsleitung (48) einbringbar ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer der beiden Separatorplatten (22, 26) wenigstens ein Fluidkanal (66, 74) für Brennstoff oder Oxidationsmittel ausgebildet ist, welcher in die Verteilungskanäle (24) für den Brennstoff oder in die Verteilungskanäle (28) für das Oxidationsmittel einmündet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Strömungsrichtung des Oxidationsmittels oder des Brennstoffs durch die Verteilungskanäle (24, 28) gesehen stromabwärts eine größere Anzahl an Fluidkanälen (66, 74) in die Verteilungskanäle (24, 28) einmündet als stromaufwärts.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere für ein Fahrzeug, bei welchem eine Membran (16) einer Membran-Elektroden-Anordnung (12) wenigstens einer Brennstoffzelle (10) mit einem Befeuchtungsmedium (42) beaufschlagt wird, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung (12) zwischen einer ersten Separatorplatte (22) mit Verteilungskanälen (24) für die Verteilung eines Brennstoffs und einer zweiten Separatorplatte (26) mit Verteilungskanälen (28) für die Verteilung eines Oxidationsmittels angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Befeuchtungsmedium der Membran (16) über wenigstens zwei weitere Kanäle (32, 34) zugeführt wird, welche in zumindest einer der beiden Separatorplatten (26) ausgebildet sind und über welche das Befeuchtungsmedium (42) an voneinander verschiedenen Stellen in die dieser Separatorplatte (26) zugeordneten Verteilungskanäle (28) eintritt.