DE102013201781A1 - Brennstoffzelle mit einer Wasserführung - Google Patents
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Abstract
Bei einer Brennstoffzelle mit einem Anoden-Kathoden-Stapel und einer Wasserführung zum Abführen von Wasser aus dem Anoden-Kathoden-Stapel ist die Wasserführung dazu angepasst, aus dem Anoden-Kathoden-Stapel sowohl Wasser abzuführen, als auch in den Anoden-Kathoden-Stapel Wasser zuzuführen.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEFC), Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)), mit einem Anoden-Kathoden-Stapel und einer Wasserführung zum Zuführen von Wasser zum Befeuchten des Anoden-Kathoden-Stapels. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung einer solchen Brennstoffzelle an einem Kraftfahrzeug.
- Brennstoffzellen, insbesondere solche von Hybrid-Kraftfahrzeugen, sind in bekannter Weise mit einem Anoden-Kathoden-Stapel (Bipolar-Plattenstapel) mit einer Vielzahl Anoden und Kathoden versehen, die jeweils mittels einer dazwischen angeordneten Membran, insbesondere einer Polymerelektrolyt-Membran, getrennt sind. Damit an der Membran ein Protonentransport stattfinden kann, muss die Membran mit Wasser bzw. de-ionisiertem Wasser befeuchtet sein. Das Wasser entsteht bei der chemischen Reaktion an der Membran. Um dieses Wasser von der Membran zu entfernen, ist an dem Anoden-Kathoden-Stapel eine Wasserführung vorgesehen, mittels der das Wasser abgeführt werden kann. Je nach Leistungsbedarf der Brennstoffzelle ist die Menge an abzuführendem Wasser anzupassen, wozu eine zugehörige Wasserfördereinrichtung das Wasser mit einem jeweils anzupassenden Unterdruck aus dem Anoden-Kathoden-Stapel saugt. In dem Anoden-Kathoden-Stapel ist eine Vielzahl Wasserführungskanäle ausgebildet, aus denen das Wasser dabei abgesaugt wird.
- Bei höheren Arbeitstemperaturen derartiger Brennstoffzellen besteht die Gefahr, dass die Membranen im Anoden-Kathoden-Stapel austrocknen. Die dadurch bedingten, vergleichsweise niedrigen Arbeitstemperaturen derartiger Brennstoffzellen, erhöhen stark den Aufwand für eine Kühlung solcher Systeme.
- Gemäß der Erfindung ist eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, mit einem Anoden-Kathoden-Stapel und einer Wasserführung zum Abführen von Wasser aus dem Anoden-Kathoden-Stapel geschaffen, wobei die Wasserführung dazu angepasst ist, aus dem Anoden-Kathoden-Stapel sowohl Wasser abzuführen, als auch in den Anoden-Kathoden-Stapel Wasser zuzuführen.
- Die Wasserführung ist vorzugsweise mit mindestens einem Wasserführungskanal und einer Wasserfördereinrichtung gestaltet, die dazu angepasst ist, an dem mindestens einen Wasserführungskanal sowohl Unterdruck zum Abführen von Wasser aus dem Anoden-Kathoden-Stapel als auch Überdruck zum Zuführen von Wasser in den Anoden-Kathoden-Stapel zu erzeugen. Der Überdruck und der Unterdruck werden dabei relativ zum restlichen Anoden-Kathoden-Stapel betrachtet, insbesondere zu mindestens einem dort angeordneten Luftführungskanal.
- An der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist vorzugsweise eine Temperaturmesseinrichtung zum Ermitteln der Temperatur des Anoden-Kathoden-Stapels vorgesehen und die Wasserführung ist dazu eingerichtet, das Abführen und das Zuführen von Wasser in Abhängigkeit der mit der Temperaturmesseinrichtung ermittelten Temperatur zu steuern.
- Ferner ist die Wasserführung bevorzugt dazu angepasst, bei einer Temperatur von über 85°C (Celsius) Wasser in den Anoden-Kathoden-Stapel zuzuführen, und/oder die Wasserführung ist vorteilhaft dazu angepasst, bei einer Temperatur von unter 85°C Wasser aus dem Anoden-Kathoden-Stapel abzuführen.
- Die oben genannten Vorteile kommen besonders bei kleineren und mittelgroßen Brennstoffzellen zum Tragen. Entsprechend ist die Erfindung auch besonders auf eine Verwendung einer solchen Brennstoffzelle an einem Kraftfahrzeug gerichtet.
- Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, eingangs genannte Brennstoffzellen auch bei höheren Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen über 85°C zu betreiben. Gemäß der Erfindung wird bei diesen höheren Temperaturen das Wasser aus dem Anoden-Kathoden-Stapel nicht mehr abgesaugt, sondern stattdessen dort belassen und es wird sogar Wasser gezielt zugeführt. Dieses Wasser wird mit einer Wasserfördereinrichtung, insbesondere in Form einer Pumpe mittels Überdruck in den Anoden-Kathoden-Stapel gedrängt. Dort gelangt das eingeführte Wasser ausgehend von den Wasserführungskanälen durch die Schichten des Anoden-Kathoden-Stapels hindurch zu Luftführungskanälen, die ebenfalls in dem Anoden-Kathoden-Stapel vorgesehen sind. Die Luftführungskanäle dienen zum Zuführen von Sauerstoff in Form von Luft in den Anoden-Kathoden-Stapel und werden bei der erfindungsgemäßen Lösung dazu genutzt, das bei höheren Temperaturen zugeführte, dann kühlende Wasser aus dem Anoden-Kathoden-Stapel wieder auszuführen. Diese Führung des Wassers geschieht durch eine gezielte Überdrucksteuerung an den Wasserführungskanälen. Erfindungsgemäß wird so eine optimale Befeuchtung bei höheren Temperaturen eingestellt.
- Um festzustellen, ob die Wasserführungskanäle nicht durch das Wasser blockiert werden, kann erfindungsgemäß vorteilhaft der Zustand der dortigen Zellen über eine Einzelzellenüberwachung beobachtet werden. Bei dieser Einzelzellenüberwachung wird die Spannung der einzelnen Zelle im Anoden-Kathoden-Stapel überwacht. Die Wasserfördereinrichtung wird dann in Abhängigkeit der ermittelten Abweichung der Spannung der einzelnen Zellen so gesteuert, dass eine optimale Befeuchtung der Schichten, insbesondere der Membranen, am Anoden-Kathoden-Stapel auch bei höheren Temperaturen gewährleistet ist.
- Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
-
1 einen ausschnittsweisen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Anoden-Kathoden-Stapels bei niedriger Umgebungstemperatur und -
2 den ausschnittsweisen Längsschnitt gemäß1 bei hoher Umgebungstemperatur. - In der
1 ist von einer Brennstoffzelle10 ein Ausschnitt von deren Anoden-Kathoden-Stapel12 dargestellt. Der Anoden-Kathoden-Stapel12 umfasst eine eine erste Schicht14 , die von einer Membran, einem Katalysator und einer Gasdiffusionslage gebildet ist, eine zweite Schicht16 , die von einer porösen Bipolarplatte gebildet ist und eine dritte Schicht18 , die wieder von einer Membran, einem Katalysator und einer Gasdiffusionslage gebildet ist. - In der zweiten Schicht
16 sind am deren Rand jeweils mehrere, an die benachbarte erste Schicht14 bzw. dritte Schicht18 angrenzende Luftführungskanäle20 ausgebildet. Zwischen diesen Luftführungskanälen20 befinden sich in der Mitte der Schicht16 mehrere Wasserführungskanäle22 . Die Wasserführungskanäle22 sind Teil einer Wasserführung24 , die ferner zumindest eine zu den Wasserführungskanälen22 führende Wasserleitung26 mit einer daran angeschlossenen Wasserfördereinrichtung28 in Gestalt einer Pumpe umfasst. Mittels der Wasserfördereinrichtung28 kann an den Wasserführungskanälen22 relativ zu den benachbarten Luftführungskanälen20 sowohl Unterdruck als auch Überdruck erzeugt werden. - Die Steuerung der Wasserfördereinrichtung
28 erfolgt in Abhängigkeit einer am Anoden-Kathoden-Stapel12 angebrachten Temperaturmesseinrichtung30 und in Abhängigkeit einer an der jeweiligen Zelle des Anoden-Kathoden-Stapels12 angeschlossenen Spannungsmesseinrichtung32 . - Dabei wird der Druck in den Wasserführungskanälen
22 so gesteuert, dass dort relativ zu den Luftführungskanälen20 bei Temperaturen an der Temperaturmesseinrichtung30 von unter 85°C Unterdruck herrscht. Die Wasserfördereinrichtung28 befindet sich dazu im Saugbetrieb (1 ). - Bei Temperaturen an der Temperaturmesseinrichtung
30 von über 55°C wird an den Wasserführungskanälen22 mittels der Wasserfördereinrichtung28 Überdruck eingestellt. Die Wasserfördereinrichtung28 befindet sich dazu im Druckbetrieb (2 ). - Alternativ oder zusätzlich wird mittels der Spannungsmesseinrichtung
32 geprüft, ob an der einzelnen Zelle die Luftführungskanäle20 aufgrund von Wasser blockiert sind, da dann an diesen Zellen die Spannung absinkt. Im Falle eines solchen Absinkens wird Wasser mittels der Wasserfördereinrichtung28 in diesem Bereich der Wasserführungskanäle22 abgesaugt. - Bezugszeichenliste
-
- 10
- Brennstoffzelle
- 12
- Anoden-Kathoden-Stapel
- 14
- erste Schicht
- 16
- zweite Schicht
- 18
- dritte Schicht
- 20
- Luftführungskanal
- 22
- Wasserführungskanal
- 24
- Wasserführung
- 26
- Wasserleitung
- 28
- Wasserfördereinrichtung
- 30
- Temperaturmesseinrichtung
- 32
- Spannungsmesseinrichtung
Claims (6)
- Brennstoffzelle (
10 ) mit einem Anoden-Kathoden-Stapel (12 ) und einer Wasserführung (24 ) zum Abführen von Wasser aus dem Anoden-Kathoden-Stapel (12 ), wobei die Wasserführung (24 ) dazu angepasst ist, aus dem Anoden-Kathoden-Stapel (12 ) sowohl Wasser abzuführen, als auch in den Anoden-Kathoden-Stapel (12 ) Wasser zuzuführen. - Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Wasserführung (
24 ) mit mindestens einem Wasserführungskanal (22 ) und einer Wasserfördereinrichtung (28 ) gestaltet ist, die dazu angepasst ist, an dem mindestens einen Wasserführungskanal (22 ) sowohl Unterdruck zum Abführen von Wasser aus dem Anoden-Kathoden-Stapel (12 ) als auch Überdruck zum Zuführen von Wasser in den Anoden-Kathoden-Stapel (12 ) zu erzeugen. - Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Temperaturmesseinrichtung (
30 ) zum Ermitteln der Temperatur des Anoden-Kathoden-Stapels (12 ) vorgesehen und die Wasserführung (24 ) dazu eingerichtet ist, das Abführen und Zuführen von Wasser in Abhängigkeit der mit der Temperaturmesseinrichtung (30 ) ermittelten Temperatur zu steuern. - Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei die Wasserführung (
24 ) dazu angepasst ist, bei einer Temperatur von über 85°C Wasser in den Anoden-Kathoden-Stapel (12 ) zuzuführen. - Brennstoffzelle nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Wasserführung (
24 ) dazu angepasst ist, bei einer Temperatur von unter 85°C Wasser aus dem Anoden-Kathoden-Stapel (12 ) abzuführen. - Verwendung einer Brennstoffzelle (
10 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 an einem Kraftfahrzeug.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE201310201781 DE102013201781A1 (de) | 2013-02-04 | 2013-02-04 | Brennstoffzelle mit einer Wasserführung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE201310201781 DE102013201781A1 (de) | 2013-02-04 | 2013-02-04 | Brennstoffzelle mit einer Wasserführung |
Publications (1)
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---|---|
DE102013201781A1 true DE102013201781A1 (de) | 2014-08-07 |
Family
ID=51206056
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE201310201781 Withdrawn DE102013201781A1 (de) | 2013-02-04 | 2013-02-04 | Brennstoffzelle mit einer Wasserführung |
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---|---|
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2013
- 2013-02-04 DE DE201310201781 patent/DE102013201781A1/de not_active Withdrawn
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