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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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(a) Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasserstoff-Zufuhreinrichtung für einen Brennstoffzellenstapel. Insbesondere betrifft die die vorliegende Erfindung eine Wasserstoff-Zufuhreinrichtung für einen Brennstoffzellenstapel, die kurzzeitig Wasserstoff an eine Katode liefert, um die Leistung und die Lebensdauer eines Brennstoffzellenstapels zu verbessern.
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(b) Beschreibung der verwandten Technik
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Wie allgemein bekannt ist, handelt es sich bei einem Brennstoffzellensystem um einen Typ eines Energieerzeugungssystems, das die chemische Energie eines Brennstoffs direkt in elektrische Energie wandelt. Diese elektrische Energie kann dann zur Versorgung von Fahrzeugen, elektronischen Geräten und jedes anderen Geräts, das elektrisch betrieben wird, verwendet werden.
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Typischerweise enthält ein Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel, der elektrische Energie erzeugt, eine Brennstoff-Zufuhreinrichtung, die dem Brennstoffzellenstapel Brennstoff (z. B. Wasserstoff) zuführt, eine Luftzufuhreinrichtung, die dem Brennstoffzellenstapel Sauerstoff (d. h. Luft) zuführt, und eine Wärme- und Wassermanagement-Einrichtung, die die Reaktionswärme vom Brennstoffzellenstapel nach außen abführt und die Betriebstemperaturen des Brennstoffzellenstapels steuert.
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Brennstoffzellensysteme erzeugen elektrische Energie mittels einer elektrochemischen Reaktion, sowie Wärme und Wasser, die Nebenprodukte der elektrochemischen Reaktion sind.
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Wenn ein Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellenfahrzeug eingesetzt wird, wird wegen der hohen erforderlichen Leistung ein Stapel, in dem Zelleneinheiten kontinuierlich und nacheinander übereinander gestapelt sind, aufgebaut. Eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) ist am innersten Teil jeder der Zelleinheiten vorgesehen. Diese Membranelektrodenbaugruppe enthält typischerweise eine Polymerelektrolytmembran für den Durchlass von Protonen und eine Katalysatorschicht an beiden Seiten der Polymerelektrolytmembran. Die Katalysatorschicht enthält außerdem eine Katode und eine Anode.
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Außerdem ist eine Gasdiffusionsschicht (GDL) auf beiden Seiten der Membranelektrodenbaugruppe zusammen mit einer Separatorplatte (oder einem Separator) vorgesehen, auf der sich ein Strömungsfeld ausbildet. Die Separatorplatte ist typischerweise so angeordnet, dass sie an einer Außenseite der Gasdiffusionsschicht anliegt (d. h. an der Seite, die nicht mit der MEA in Kontakt steht). Diese GDL- und Separatorkombination ist für die Zufuhr von Brennstoff und Luft zur Katode und Anode und für die Abfuhr von durch die chemische Reaktion entstandenem Wasser zuständig.
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Wasserstoff und Sauerstoff werden durch die chemische Reaktion jeder Katalysatorschicht ionisiert, wodurch eine Oxidationsreaktion hervorgerufen wird, die Elektronen in einem Wasserstoffabschnitt der Zelle erzeugt, und eine Reduktionsreaktion, die Wasser in einem Sauerstoffabschnitt der Zelle erzeugt. Im Allgemeinen enthält ein Elektrodenkatalysator einer Brennstoffzelle einen Katalysatorträger aus einem Kohlenstoffmaterial und einem Katalysator, der einen Platinkatalysator und ein Co-Katalysator (z. B. Ru, Co und Cu) enthält.
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Das heißt, der Wasserstoff wird zur Anode und der Sauerstoff (Luft) zur Katode geliefert. Deshalb wird der der Anode zugeführte Wasserstoff durch einen Katalysator einer Elektrodenschicht an beiden Seiten der Elektrolytschicht in Protonen (H+) und Elektronen (e-) gespalten. Nur die Protonen (H+) werden selektiv durch die Elektrolytschicht der positiven Ionenaustauschschicht zur Katode durchgelassen. Gleichzeitig werden die Elektronen (e-) durch die Gasdiffusionsschicht und die Separatorplatte zur Katode durchgelassen.
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In der Katode findet eine chemische Reaktion der durch die Elektrolytschicht durchgelassenen Protonen und der durch die Separatorplatte durchgelassenen Elektronen mit dem Sauerstoff in der Luft, die der Katode von einer Luftzufuhreinrichtung zugeführt wird, statt und es entsteht Wasser. Die Bewegung der Protonen erzeugt einen Strom, und Wärme entsteht bei der Wasser erzeugenden Reaktion.
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Während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels treten Start- und Stopp-Operationen häufig auf. Wenn jedoch in einem Brennstoffzellenstapel eine hohe Spannung oder eine Umkehrspannung erzeugt wird, verschlechtert sich die Leistung der Brennstoffzelle.
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Im Fall einer in einem Fahrzeug installierten Brennstoffzelle ändert sich die auf die Brennstoffzellen wirkende Last rapide. Insbesondere wenn das Fahrzeug aus dem Leerlaufzustand startet, ändert sich die Last schnell, wenn das Fahrzeug beschleunigt. Wenn bei einer solchen Laständerung während des Betriebs die Feuchtigkeit des Brennstoffzellenstapels gering ist und sich das Fahrzeug im Leerlaufzustand befindet, fällt die Zellspannung rasch ab und wird in den Ausgangszustand zurückversetzt. Da die Mobilität der H+-Ionen im Trockenzustand eingeschränkt wird, nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit insgesamt ab, wodurch ein besonderer Zustand auftritt.
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Außerdem verschlechtert sich der Katalysator des Brennstoffzellenstapels durch den Dauerbetrieb der Brennstoffzelle. Die resultiert in einer verringerten Ausgangsleistung der Brennstoffzelle.
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Wenn die Brennstoffzelle bei niedrigen Temperaturen (d. h. unter dem Gefrierpunkt) etwa im Winter gestartet wird, dient die durch die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entstandene Wärme zum Starten der Brennstoffzelle. Da jedoch die Wärmemenge und die Wärmekapazität der peripheren Bauteile ziemlich gering sind, steigt die Temperatur des Brennstoffzellenstapels nur langsam, wenn die Brennstoffzelle bei niedrigen Temperaturen gestartet wird. Schließlich entsteht ein Geräusch, wenn der Wasserstoff des Brennstoffzellenstapels gereinigt wird. Dieses Geräusch ist für den Fahrer unangenehm und sollte möglichst vermieden werden.
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Aus der US 2011 / 0 008 695 A1 ist in diesem Zusammenhang eine Wasserstoff-Zufuhreinrichtung für einen Brennstoffzellenstapel bekannt, aufweisend: eine Mehrzahl Zelleneinheiten, wobei jede Zelleneinheit der Mehrzahl von Zelleneinheiten eine Membranelektrodenbaugruppe, eine an zwei Seiten der Membranelektrodenbaugruppe angeordnete Separatorplatte, einen Kühlmittelkanal, einen Luftkanal, einen Brennstoffkanal, und eine mit dem Luftkanal kommunizierende Lufteinlass-Sammelleitung aufweist; eine an jedem Ende der Mehrzahl von Zelleneinheiten angeordnete Endplatte, wobei die Endplatte eine Lufteinlass-Sammelleitung bildet, die entsprechend der Lufteinlass-Sammelleitung der Separatorplatte angeordnet ist; und eine Wasserstoff-Zufuhreinrichtung in der Lufteinlass-Sammelleitung der Separatorplatte und der Lufteinlass-Sammelleitung der Endplatte, wobei die Wasserstoff-Zufuhreinrichtung der Katode selektiv Wasserstoff durch den Luftkanal zuführt.
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Die obigen Ausführungen dieses Hintergrund-Abschnitts dienen nur dem besseren Verständnis des Hintergrunds der Erfindung und können deshalb Informationen enthalten, die nicht Bestandteil des hierzulande dem Durchschnittsfachmann bereits bekannten Standes der Technik bilden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung ist in dem Bestreben erarbeitet worden, eine Wasserstoff-Zufuhreinrichtung für einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, die die obigen Probleme verhindern kann.
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Ferner ist die vorliegende Erfindung in dem Bestreben erarbeitet worden, eine Wasserstoff-Zufuhreinrichtung für einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, die einen Spannungsabfall der Zelle aufgrund einer schnellen Laständerung während des Trockenzustands einer Polymerelektrolytmembran verhindert.
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Ferner ist die vorliegende Erfindung in dem Bestreben erarbeitet worden, eine Wasserstoff-Zufuhreinrichtung für einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, die eine Leistungsverschlechterung aufgrund des Dauerbetriebs einer Brennstoffzelle verhindert.
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Ferner ist die vorliegende Erfindung in dem Bestreben erarbeitet worden, eine Wasserstoff-Zufuhreinrichtung für einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, die die Temperatur des Brennstoffzellenstapels während eines Kaltstarts rasch erhöht.
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Schließlich ist die vorliegende Erfindung in dem Bestreben erarbeitet worden, eine Wasserstoff-Zufuhreinrichtung für einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, die ein durch Wasserstoffreinigung auftretendes und für den Fahrer unangenehmes Geräusch beseitigt.
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Eine Wasserstoff-Zufuhreinrichtung für einen Brennstoffzellenstapel gemäß eine Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält: eine Mehrzahl Zelleneinheiten, die eine Membranelektrodenbaugruppe mit einer Polymerelektrolytmembran enthalten, eine Anode und eine Katode, eine an beiden Seiten der Membranelektrodenbaugruppe angeordnete Separatorplatte, einen Kühlmittelkanal, einen Luftkanal, einen Brennstoffkanal und eine Lufteinlass-Sammelleitung, die mit dem Luftkanal kommuniziert; eine an beiden Seiten der Mehrzahl Zelleneinheiten angeordnete Endplatte, die eine Lufteinlass-Sammelleitung entsprechend der Lufteinlass-Sammelleitung der Separatorplatte bildet; und eine in der Lufteinlass-Sammelleitung und der Separatorplatte und der Lufteinlass-Sammelleitung der Endplatte vorgesehene Wasserstoff--Zufuhreinrichtung, die der Katode selektiv Wasserstoff durch den Luftkanal zuführt, wobei die Wasserstoff-Zufuhreinrichtung enthält: eine Wasserstoffleitung, die in der Lufteinlass-Sammelleitung der Separatorplatte und der Lufteinlass-Sammelleitung der Endplatte vorgesehen ist und einen Wasserstoffauslass bildet; und eine innerhalb oder außerhalb der Wasserstoffleitung vorgesehene Zufuhrleitung, die so angeschlossen ist, dass sie durch das Antriebsdrehmoment eines Elektromotors gedreht wird und eine Wasserstoffzufuhröffnung bildet, die selektiv mit dem Wasserstoffauslass der Wasserstoffleitung kommuniziert.
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Beim Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können mehrere Wasserstoffzufuhröffnungen gleichmäßig beabstandet in Umfangsrichtung angeordnet sein. Die Breite des Wasserstoffauslasses und der Wasserstoffzufuhröffnung kann sich allmählich mit der Entfernung zu einem Einlass, durch den der Wasserstoff strömt, verengen.
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Der der Katode zugeführte Wasserstoff kann von einer Brennstoffzufuhreinheit geliefert werden, die Wasserstoff zur Anode liefert und/oder von einer Reinigungsleitung, die den nicht umgesetzten Wasserstoff in der Anode ausleitet.
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Da gemäß der vorliegenden Erfindung während eines Kaltstarts Wasserstoff gleichzeitig zur Anode und zur Katode geliefert wird, kann die Bildung einer zu hohen Spannung oder einer Umkehrspannung effektiv verhindert werden. Da ferner eine Polymerelektrolytmembran nicht trocken ist, kann ein Spannungsabfall in der Zelle vermieden werden. Da außerdem der Katode hinreichend Wasserstoff zugeführt wird, kann die verschlechterte Leistung des Katalysators behoben werden.
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Da außerdem während eines Kaltstarts Wasserstoff zur Katode geliefert wird, steigt die Temperatur des Brennstoffzellenstapels aufgrund einer chemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff in einem Platinkatalysator einer Katode rasch an. Somit werden die Brennstoffzellen schneller erwärmt. Da schließlich der gereinigte Wasserstoff einer Brennstoffzelle zu einer Katode zurückgeführt wird, wird das während des Wasserstoffreinigungsprozesses auftretende für den Fahrer unangenehme Geräusch verringert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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- 1 ist ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 2 ist ein schematisches Diagramm einer Wasserstoff-Zufuhreinrichtung für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 3 ist eine vergrößerte Teilansicht einer Wasserstoff-Zufuhreinrichtung für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 4 ist eine Schnittansicht einer Wasserstoffleitung und einer Zufuhrleitung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 5 ist eine Schnittansicht einer Wasserstoffleitung und einer Zufuhrleitung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 6 ist eine schematische Ansicht einer Wasserstoffleitung, einer Zufuhrleitung und eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 7 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem einer Katode zugeführten Wasserstoff und der Zellspannung zeigt.
- 8 ist ein Graph, der die Zellspannung beim Starten einer Brennstoffzelle zeigt.
- 9 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen Stromdichte und Zellspannung zeigt.
- 10 ist ein Graph, der die Zellspannung beim Starten einer Brennstoffzelle im Leerlaufzustand zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Es versteht sich, dass der Begriff „Fahrzeug“ oder „fahrzeugtechnisch“ oder andere ähnliche hierin verwendete Begriffe allgemein Kraftfahrzeuge betreffen, wie Personenkraftwagen, einschließlich Komfort-Geländewagen (SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wassermotorfahrzeuge einschließlich verschiedene Boote und Schiffe, Luftfahrzeuge und dgl. und auch Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (an der Steckdose aufladbar), Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb und andere Fahrzeuge für alternative Kraftstoffe (z. B. Kraftstoffe, die aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen werden) umfasst. Wie hierin verwendet ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug mit zwei oder mehr Antriebsquellen, z. B. Fahrzeuge sowohl mit Benzin- als auch Elektroantrieb.
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Außerdem versteht es sich, dass die nachstehenden Verfahren von mindestens einer Steuerung ausgeführt werden. Der Begriff Steuerung bezeichnet ein Hardware-Gerät mit einem Speicher und einem Prozessor, der zur Ausführung eines oder mehrerer Schritte konfiguriert ist, die als algorithmische Struktur zu interpretieren sind. Der Speicher ist zum Speichern algorithmischer Schritte konfiguriert und der Prozessor ist speziell zur Ausführung dieser algorithmischen Schritte zur Ausführung eines oder mehrerer Prozesse konfiguriert, die nachstehend beschrieben werden.
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Ferner kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nicht flüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium mit ausführbaren Programmanweisungen, die von einem Prozessor, einer Steuerung und dgl. ausgeführt werden, verwirklicht sein. Beispiele für computerlesbare Medien sind u. a. ROMs, RAMs, Compact Disc (CD)-ROMs, Magnetbänder, Disketten, USB-Sticks, Smart Cards und optische Datenspeichergeräte. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann auch in netzgekoppelten Computersystemen verteilt sein, so dass das computerlesbare Medium auf verteilte Weise gespeichert und ausgeführt wird, z. B. von einem Telematik-Server oder einem Controller Area Network (CAN).
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Ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in einem Brennstoffzellenfahrzeug vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem enthält ein elektrisches Energieerzeugungssystem, das zum Erzeugen elektrischer Energie über eine elektrochemische Reaktion zwischen Brennstoff und einem Oxidationsmittel, bei denen es sich um die Reaktanten handelt, konfiguriert ist.
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Wenn das Brennstoffzellensystem mit einer direkten Oxidationsbrennstoffzelle konfiguriert ist, kann der Brennstoff einen alkoholischen Flüssigbrennstoff Brennstoff wie Methanol und Ethanol enthalten. Der Brennstoff kann wahlweise einen Flüssiggasbrennstoff aus einer Kohlwasserstoffmaterialgruppe, die Methan, Ethan, Propan und Butan umfasst, enthalten.
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Wenn das Brennstoffzellensystem mit einer PolymerelektrolytmembranBrennstoffzelle konfiguriert ist, kann der Brennstoff ein reformiertes Gas sein, das Wasserstoff enthält, der aus dem Flüssigbrennstoff oder einem Flüssiggasbrennstoff erzeugt wird. Das reformierte Gas kann in einem Reformer erzeugt werden.
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Der Einfachheit halber und zu Beispielzwecken wird jedoch nunmehr der Brennstoff in der Beschreibung als Wasserstoff bezeichnet, jedoch sollte der Begriff Brennstoff nicht darauf beschränkt werden. Ferner kann das Oxidationsmittel Sauerstoffgas sein, das in einem zusätzlichen Behälter gespeichert ist, oder natürliche Luft. Der Einfachheit halber und zu Beispielzwecken wird jedoch das Oxidationsmittel hierin als Luft bezeichnet, jedoch sollte der Begriff Oxidationsmittel nicht darauf beschränkt werden.
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1 ist ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 dargestellt enthält ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen Brennstoffzellenstapel 100, der zur Erzeugung von elektrischer Energie konfiguriert ist, eine Brennstoffzufuhreinheit 4, die zur Wasserstoffzufuhr zum Brennstoffzellenstapel 100 angeschlossen ist, eine Luftzufuhreinheit 8, die Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstapel 100 angeschlossen ist, eine Wärme- und Wassermanagementeinheit 6, die zum Abführen der Reaktionswärme im Brennstoffzellenstapel nach außen angeschlossen und dazu konfiguriert ist, die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 100 zu steuern und das Wasser zu handhaben, und eine Steuerung 80, die zur Steuerung der Bestandelemente des Brennstoffzellensystems konfiguriert ist.
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Die Brennstoffzufuhreinheit 4 enthält einen Wasserstoffbehälter, ein Proportionalregelventil 30, und eine Wasserstoffrückführeinheit 9. Die Luftzufuhreinheit 8 enthält ein Luftgebläse 15 und einen Befeuchter 20. Die Wärme- und Wassermanagementeinheit 6 enthält eine Kühlmittelpumpe 65 und einen Kühler 60.
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Hochdruckwasserstoff vom Wasserstoffbehälter wird dem Brennstoffzellenstapel mit einem niedrigeren Druck über das Proportionalregelventil 30 zugeführt. Nicht umgesetzter Wasserstoff wird durch ein in einer Rückführleitung der Wasserstoffrückführeinheit 9 vorgesehenes Rückführgebläse zur Anode und zur Katode zurückgeführt. Der Kühler 60 stellt die Temperatur des in den Brennstoffzellenstapel 100 strömenden Kühlmittels ein. Das durch den Kühler 60 strömende Kühlmittel wird durch Wärmeaustausch gekühlt, und das Kühlmittel zum Brennstoff zellenstapel 100 geliefert. Die Steuerung 80 steuert jedes Bestandelement des Brennstoffzellensystems sowie Wasserstoff und Sauerstoff, die der Anode und der Katode zugeführt werden. Auf diese Weise wird elektrische Energie erzeugt.
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2 ist ein schematisches Diagramm einer Wasserstoff-Zufuhreinrichtung des Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Einfachheit halber ist in 2 nur eine Zelleneinheit dargestellt. Wie in 2 dargestellt enthält der Brennstoffzellenstapel eine Mehrzahl Zelleneinheiten 120. Jede Zelleneinheit 120 erzeugt durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Luft elektrische Energie.
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Der Brennstoffzellenstapel wird durch Zusammenpressen und Ineingriffbringen der Mehrzahl Zelleneinheiten 120 zusammengebaut. Eine Endplatte 110 ist an beiden Seiten der Mehrzahl Zelleneinheiten 120 durch Eingriffsmittel in Eingriff gebracht. Deshalb ist die Endplatte 110 eng an der Mehrzahl Zelleneinheiten 120 angebracht, wobei ein vorgegebener Druck auf die Mehrzahl Zelleneinheiten 120 ausgeübt wird.
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Jede Zelleneinheit 120 enthält eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) 130 und zwei Separatorplatten (Separatoren) 140, die an den jeweiligen Seiten der Membranelektrodenbaugruppe 130 angeordnet sind. Die Membranelektrodenbaugruppe 130 enthält eine Polymerelektrolytmembran für die Protonenbewegung und eine Katalysatorschicht an den jeweiligen Seiten der Polymerelektrolytmembran, so dass Wasserstoff und Sauerstoff miteinander reagieren können, das heißt, eine Anode und eine Katode sind an den jeweiligen Seiten der Polymerelektrolytmembran angeordnet.
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Außerdem ist eine Gasdiffusionsschicht (GDL) an beiden Seiten der Membranelektrodenbaugruppe 130 angeordnet. Eine Separatorplatte 140 mit Strömungsfeldern, durch die der an der Reaktion beteiligte Wasserstoff und Sauerstoff zur Anode und zur Katode geliefert werden und durch die Reaktion erzeugtes Wasser ausgeleitet wird, ist an der Außenseite der GDL angeordnet.
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Die Anode spaltet den Wasserstoff in Elektronen und Protonen, und die Polymerelektrolytmembran bewegt die Protonen zur Katode.
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Die Katode reagiert mit den Elektronen und Protonen von der Anode und dem vom Strömungsfeld der Separatorplatte 140 getrennt zugeführten Sauerstoff zur Erzeugung von Wasser und Wärme.
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Etwas von der Katode erzeugtes Wasser wird durch die Polymerelektrolytmembran zur Anode bewegt. Wenn Wasser, das zur Anode bewegt wird, in der Katalysatorschicht verbleibt, wird das Katalysatorreaktionsvermögen verringert. Wenn Wasser, das zur Anode bewegt wird, im Strömungsfeld verbleibt, blockiert das Wasser den Wasserstoffzufuhrkanal. Deshalb ist ein Wasserabscheider 45, der in der Katalysatorschicht oder im Strömungsfeld verbleibendes Wasser ausleitet, mit der Anode verbunden, und eine Reinigungsleitung 46, die Verunreinigungen an den Befeuchter ausleitet, ist mit der Anode verbunden.
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Eine Wasserauslassleitung 41, die Wasser zum Befeuchter ausleitet, ist mit dem Wasserabscheider 45 verbunden, und ein Auslassventil 42, das in jeder der vorgegebenen Zeitspannen öffnet und Wasser ausleitet, ist in der Wasserauslassleitung 41 vorgesehen. Ferner ist ein Reinigungsventil 40 in der Reinigungsleitung 46 vorgesehen, so dass der Wasserstoff in der Anode in jeder Reinigungsperiode ausgeleitet wird. Deshalb werden Verunreinigungen wie Wasser und Stickstoff der Separatorplatten 140 ausgeleitet und beseitigt, so dass der Wasserstoffverbrauch ansteigt.
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Wie in 2 dargestellt weist eine Seite der Separatorplatte 140 zur Anode oder zur Katode, und die andere Seite der Separatorplatte 140 weist zur Separatorplatte 140 einer anderen Zelleneinheit 120. Ein Brennstoffkanal ist an einer Seite der zur Anode weisenden Separatorplatte 140 ausgebildet und ein Luftkanal ist an der anderen Seite der zur Katode weisenden Separatorplatte 140 ausgebildet. Ein Kühlmittelkanal zur Kühlmittelrückführung ist im Innern der Separatorplatte 140 ausgebildet.
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Eine Brennstoffeinlass-Sammelleitung 144, die Wasserstoff zur Anode liefert, und eine Brennstoffauslass-Sammelleitung 145, die nicht umgesetzten Wasserstoff ausleitet, sind in der Separatorplatte 140 ausgebildet. Eine Lufteinlass-Sammelleitung 146, die Luft zur Katode liefert, und eine Luftauslass-Sammelleitung 147, die nicht umgesetzte Luft ausleitet, sind in der Separatorplatte 140 ausgebildet. Eine Kühlmitteleinlass-Sammelleitung 148, die Kühlmittel zur Zelleneinheit 120 liefert, und eine Kühlmittelauslass-Sammelleitung 149, die Kühlmittel ausleitet, sind in der Separatorplatte 140 ausgebildet.
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Eine Brennstoffeinlass-Sammelleitung 114 und eine Brennstoffauslass-Sammelleitung 115, die jeweils mit der Brennstoffeinlass-Sammelleitung 144 und der Brennstoffauslass--Sammelleitung 145 der Separatorplatte 140 kommunizieren, sind in der Endplatte 110 ausgebildet. Eine Lufteinlass-Sammelleitung 116 und eine Luftauslass-Sammelleitung 117, die jeweils mit der Lufteinlass-Sammelleitung 146 und der Luftauslass-Sammelleitung 147 der Separatorplatte 140 kommunizieren, sind in der Endplatte 110 ausgebildet. Eine Kühlmitteleinlass-Sammelleitung 118 und eine Kühlmittelauslass-Sammelleitung 119, die jeweils mit der Kühlmitteleinlass-Sammelleitung 148 und der Kühlmittelauslass-Sammelleitung 149 der Separatorplatte 140 kommunizieren, sind in der Endplatte 110 ausgebildet.
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Eine Wasserstoffleitung 220 ist so angeordnet, dass sie in die Lufteinlass-Sammelleitung 116 der Endplatte 110 und die Lufteinlass-Sammelleitung 146 der Separatorplatte 140 mündet. Ein Wasserstoffauslass 221 ist in der Wasserstoffleitung 220 ausgebildet. Der Wasserstoffauslass 221 kann sich in Längenrichtung der Wasserstoffleitung 220 erstrecken und hat eine Schlitzform.
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Eine Zufuhrleitung 230 ist außerhalb der Wasserstoffleitung 220 vorgesehen. Die Zufuhrleitung 230 rotiert durch das Antriebsdrehmoment eines Elektromotors 210, und eine Wasserstoffzufuhröffnung 231, die selektiv mit dem Wasserstoffauslass 221 der Wasserstoffleitung 220 kommuniziert, ist vorgesehen. Die Wasserstoffzufuhröffnung 231 hat eine Form entsprechend dem Wasserstoffauslass 221. Da die Zufuhrleitung 230 durch das Antriebsdrehmoment des Elektromotors 201 rotiert, kommuniziert die Wasserstoffzufuhröffnung 231 selektiv mit dem Wasserstoffauslass 221. Die Wasserstoffleitung 220 kann mit der Reinigungsleitung 46 verbunden sein, die nicht umgesetzten Wasserstoff in der Anode und/oder der Brennstoffzufuhreinheit 4 ausleitet.
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Wenn sich wie in 4 dargestellt die Zufuhrleitung 230 durch das Antriebsdrehmoment des Elektromotors 210 in eine erste Position dreht und dann der Wasserstoffauslass 221 nicht mit der Wasserstoffzufuhröffnung 231 kommuniziert (siehe 4 (a)), wird verhindert, dass der Wasserstoff in der Wasserstoffleitung 220 in die Lufteinlass-Sammelleitung 146 strömt. Wenn sich jedoch die Zufuhrleitung 230 durch das Antriebsdrehmoment des Elektromotors 210 dreht und der Wasserstoffauslass 221 dann mit der Wasserstoffzufuhröffnung 231 kommuniziert (siehe 4 (b)), strömt der Wasserstoff in der Wasserstoffleitung 220 durch die Lufteinlass-Sammelleitung 146 in die Katode.
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Wie in 5 dargestellt kann eine Mehrzahl Wasserstoffzufuhröffnungen 231 in Umfangsrichtung der Zufuhrleitung 230 ausgebildet sein. Wenn eine Mehrzahl Wasserstoffzufuhröffnungen 231 entlang der Zufuhrleitung 230 ausgebildet ist, kann der Wasserstoff in der Wasserstoffleitung 220 auf gepulste Weise durch die Rotation der Zufuhrleitung 230 zugeführt werden. Das heißt, im Vergleich mit der Ausführungsform gemäß 4 steuert diese Ausführungsform die Zufuhrgeschwindigkeit und die Zufuhrmenge des Wasserstoffs zur Katode effizient.
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6 ist eine schematische Ansicht einer Wasserstoffleitung, einer Zufuhrleitung und eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Allgemeinen ist es aufgrund der durch die Wasserstoffleitung 220 strömenden Wasserstoffmenge schwierig, Wasserstoff gleichmäßig zu Zelleneinheiten 120 zuzuführen, die vom Wasserstoffeinlass weiter entfernt angeordnet sind. Wie in 6 dargestellt ist, verengt sich deshalb bevorzugt die Breite des Wasserstoffauslasses 221 allmählich mit der Entfernung vom Einlass, durch den der Wasserstoff eintritt.
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Wenn also die Breite des Wasserstoffauslasses 221 und der Wasserstoffzufuhröffnung mit der Entfernung vom Einlass, durch den der Wasserstoff eintritt, allmählich abnimmt, wie in 7 dargestellt, ist eine durch den Wasserstoffauslass 221 und die Wasserstoffzufuhröffnung 231 neben dem Abschnitt, durch den der Wasserstoff strömt, gebildete Öffnung relativ groß (siehe 7 (a)). Ferner sind die Öffnung des Wasserstoffauslasses 221 und die Wasserstoffzufuhröffnung 231, die sich weit entfernt von dem Abschnitt befinden, in dem der Wasserstoff eintritt, relativ klein (siehe 7 (b)). Deshalb wird der Katode jeder Zelleneinheit 120 gleichmäßig Wasserstoff zugeführt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der Wasserstoff nicht immer durch die Lufteinlass-Sammelleitung 146 zur Katode geliefert, sonders stattdessen erfolgt die Zufuhr von Wasserstoff zur Katode, wenn eine besondere Situation eintritt, die später beschrieben wird.
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Bei häufigen Start- und Stoppoperationen der Brennstoffzelle kann eine hohe Spannung oder eine Umkehrspannung des Brennstoffzellenstapels entstehen. Dabei wird der Katode durch die Wasserstoffleitung 220 Wasserstoff zugeführt, so dass die Entstehung der hohen Spannung verhindert werden kann.
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7 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem zur Katode gelieferten Wasserstoff und der Zellspannung zeigt. In 7 kennzeichnet eine Volllinie die Zellspannung und eine Strichlinie den der Katode zugeführten Wasserstoff. Wie in 7 dargestellt ist speziell die Zellspannung des Brennstoffzellenstapels eine hohe Spannung (siehe (1) in 7) bei niedriger Lastbedingung. Wenn ferner Wasserstoff zur Katode geliefert wird, fällt die Zellspannung ab (siehe (2) in 7), und wenn kein Wasserstoff zur Katode geliefert wird, nimmt die Zellspannung zu (siehe (3) in 7).
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8 ist ein Graph, der die Zellspannung zeigt, wenn die Brennstoffzelle gestartet wird. Wenn wie in 8 dargestellt Wasserstoff nur zur Katode geliefert wird, entsteht eine Umkehrspannung (siehe 8 (a)), und wenn Wasserstoff zur Katode und zur Anode geliefert wird, kann die Bildung einer Umkehrspannung verhindert werden (siehe 8 (b)).
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Wenn wie oben beschrieben eine hohe Spannung oder eine Umkehrspannung in der Brennstoffzelle entsteht, erfahren ein Katalysator und ein Katalysatorträger eine Zustandsverschlechterung und die Leistung der Brennstoffzelle verschlechtert sich. Wenn wie in 9 dargestellt Wasserstoff zur Katode geliefert wird, kann die Zellspannung der Brennstoffzelle konstant gehalten werden (siehe 9 (b)), im Gegensatz zu dem Fall, in dem kein Wasserstoff zur Katode geliefert wird (siehe 9 (a)). Deshalb kann eine Leistungsverschlechterung der Brennstoffzelle verhindert werden.
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Wenn ein Brennstoffzellenfahrzeug aus dem Leerlaufzustand startet und eine Last sich rasch ändert, wird wieder Wasserstoff zur Katode geliefert. Wenn das Brennstoffzellenfahrzeug aus dem Leerlaufzustand startet wie in 10 (a) dargestellt, fällt die Zellspannung plötzlich ab und steigt dann durch eine rasche Laständerung wieder an.
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Wenn jedoch das Brennstoffzellenfahrzeug aus dem Leerlaufzustand startet und dann Wasserstoff der Katode zugeführt wird, wird ein Austrocknen der Polymerelektrolytmembran durch das bei der chemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff entstandene Wasser verhindert. Deshalb kann ein plötzlicher Abfall der Zellspannung verhindert werden (siehe 10 (b)).
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Wenn sich ferner der Katalysator des Brennstoffzellenstapels durch den Dauerbetrieb der Brennstoffzelle verschlechtert und eine Wiederherstellung der Leistung der Brennstoffzelle erforderlich ist, wird der Katode Wasserstoff zugeführt.
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Wenn Wasserstoff zur Katode geliefert wird, diffundiert dieser in die Anode. Gleichzeitig wird eine Sauerstoff-Reduktionsreaktion (ORR) durch die Reduktion des Platinoxids der Katode aktiv. Weil Wasserstoff der Katode des Brennstoffzellenstapels, dessen Leistung sich verschlechtert hat, zugeführt wird, wird die Leistung der Brennstoffzelle wiederhergestellt.
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Wenn außerdem während eines Kaltstarts Wasserstoff zur Katode geliefert wird, wird durch die chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff im Platinkatalysator der Katode Wärme erzeugt, so dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels rasch ansteigt.
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Wenn ferner erneut Wasserstoff durch die Verwendung von gereinigtem Wasserstoff von der Anode zur Katode geliefert wird, wird das durch den Wasserstoff-Reinigungsprozess auftretende Geräusch verringert und damit das für den Fahrer unangenehme Gefühl beseitig.
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Obwohl diese Erfindung in Zusammenhang mit für derzeit als praktikabel geltenden Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und gleichwertige Anordnungen innerhalb von Geist und Gültigkeitsbereich der beigefügten Ansprüche abdecken soll.
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<Beschreibung der Bezugszeichen>
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- 100
- Brennstoffzellenstapel
- 110
- Endplatte
- 120
- Zelleneinheit
- 130
- Membranelektrodenbaugruppe
- 140
- Separatorplatte
- 144
- Brennstoffeinlass-Sammelleitung
- 145
- Brennstoffauslass-Sammelleitung
- 146
- Lufteinlass-Sammelleitung
- 147
- Luftauslass-Sammelleitung
- 148
- Kühlmitteleinlass-Sammelleitung
- 149
- Kühlmittelauslass-Sammelleitung
- 210
- Elektromotor
- 220
- Wasserstoffleitung
- 221
- Wasserstoffauslass
- 230
- Zufuhrleitung
- 231
- Wasserstoffzufuhröffnung
