DE10223353A1

DE10223353A1 - Wasserdosierung einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE10223353A1
Application number: DE10223353A
Authority: DE
Inventors: Andreas Gaulhofer; Ralf Nuesle
Original assignee: BALLARD GERMANY GmbH
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2002-05-25
Filing date: 2002-05-25
Publication date: 2003-12-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle und eine geeignete Wasserdosieranordnung des Brennstoffzellensystems. Ein Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellensystem umfasst eine Anzahl von Komponenten neben der eigentlichen Brennstoffzelle, der Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle, wie Wasserdosiereinrichtung, Wasserreservoir, Leitungen, wie Zuleitungen zum Anodenbereich, der aus einer Anzahl einzelner Bereiche bestehen kann, und zum Kathodenbereich, der aus einer Anzahl einzelner Bereiche bestehen kann. Die Leitungen, die zum Anodenbereich und zum Kathodenbereich führen, werden als Anoden- und als Kathodenzuleitung bezeichnet. Die Wasserdosiereinrichtung umfasst eine Zweistoffdüse. Über die Zweistoffdüse wird Wasser, das in einem Wasserreservoir gespeichert oder aufgefangen werden kann, geleitet oder geführt. Als weiteres Medium wird über die Zweistoffdüse ein Reaktand für die Brennstoffzelle geleitet oder geführt. Die Zweistoffdüse vermengt in ihrem Ausgangsbereich die beiden Medien, Wasser und Reaktanden. Vorzugsweise wird das Wasser im Zentrum der Zweistoffdüse geführt. Der Reaktand wird in den äußeren Umleitungen der Zweistoffdüse geführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle, insbesondere eine Wasserdosieranordnung eines Brennstoffzellensystems.

Brennstoffzellensysteme bestehen aus dem eigentlichen Brennstoffzellenstapel, verkürzt wird auch einfach nur von Brennstoffzelle gesprochen, und einer Anzahl von peripheren Bauteilen, wie zum Beispiel ein Tank oder mehrere Tanks für Wasser oder Nährstrom, Pumpen, Kompressoren, Ventile, Rezirkulationsleitungen, Zuleitungen und Ableitungen. Als bekannte Systeme werden beispielhaft die Fig. 1 aus EP 980 106 A2 oder die Fig. 2 aus EP 1 102 341 A2 und die dazugehörigen Beschreibungen angeführt. Weitere Beispiele für Brennstoffzellensystemaufbauten sind aus PCT 01/48846 A1, insbesondere Fig. 1 bis 4, und die dazugehörigen Beschreibungen und aus PCT 01/25140 A1 zu entnehmen. Durch einen Austausch von einem Teil der Komponenten oder einer unterschiedlichen Reihenfolge in der Anordnung können auch weitere Systeme aufgebaut werden.

Die Brennstoffzelle besteht in der Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels aus einer Anzahl von Einzelzellen, die in vielen Formen wie planar bzw. flächig oder zirkulär oder auch gewellt aufgebaut sein können. Eine vorteilhafte planare Brennstoffzelle kann in der Patentanmeldung WO 00/36682 gefunden werden. Wie aus der Beschreibung abgeleitet werden kann, setzt sich eine Brennstoffzelle nicht nur aus dem eigentlichen Reaktor, der auch teilweise als aktive Fläche bezeichnet wird, zusammen, sondern zu der Brennstoffzelle gehören auch viele andere Bauteile, wie zum Beispiel Verteilerplatten, Krümmer, Umlenkungen, Bipolarplatten und Membranelektrodeneinheiten. Werden die einzelnen Teile der Brennstoffzelle zusammengebracht, so ergibt sich eine abgeschlossene komplexe Einheit, die intern mit einer Vielzahl von Kanälen und Strukturen versehen ist und von Außen wie ein viereckiger Kasten mit Öffnungen wirkt. Wünschenswert ist es häufig, von einer geringen Anzahl von Stellen, vorzugsweise nur eine Stelle, die eine Öffnung bietet, als Einleitung in die Brennstoffzelle auszugehen, und über eine Anzahl von Abzweigungen, Umlenkungen und Aufteilungen bis zu den aktiven Flächen zu gelangen. Auf deren anderen Seite der aktiven Flächen wird wieder über eine Anzahl von Abzweigungen, Umlenkungen und Aufteilungen auf eine zweite Gruppe von möglichst wenigen, zentralen Stellen, vorzugsweise eine zentrale Stelle, als Ausleitungen aus der Brennstoffzelle zusammengeführt. Die Stelle, die als Einleitung dient, wird auch als Eingangsport bezeichnet. Die Stelle, die als Ausleitung dient, wird auch als Ausgangsport bezeichnet. In dem Brennstoffzellensystem sind an den Eingangsport und teilweise an dem Ausgangsport Zuleitungen und Ableitungen angeschlossen. Die Zuleitungen und Ableitungen sind häufig Rohre mit ähnlichem Durchmesser wie die Öffnung der Eingangsports oder der Ausgangsports. Die Brennstoffzelle hat eine aktive Fläche, die als Anode bezeichnet wird, und eine aktive Fläche, die als Kathode bezeichnet wird. Bei einem Brennstoffzellenstapel gibt es entsprechend der Anzahl der Brennstoffzellen entsprechend viele Kathoden und Anoden. Zu den Kathoden und Anoden werden unterschiedliche Nährströme geleitet. Daher gibt es in der Regel abgeschlossene Zuleitungssysteme zu einem Eingangsport der Anodenseite der Brennstoffzelle und zu einem Eingangsport der Kathodenseite der Brennstoffzelle. Es sind ebenfalls Systeme mit abgeschlossenen Ableitungssystemen von dem Brennstoffzellenausgangsports bekannt.

Brennstoffzellen können mit unterschiedlichen Brenngasen betrieben werden. So gibt es Brennstoffzellen, die mit Methanol bzw. einem Methanolreformat und Sauerstoff betrieben werden. Andere Brennstoffzellen gibt es, die mit Wasserstoff und Luft betrieben werden. Andere Brennstoffzellen wiederum mit einer Kombination von Brenngasen. Unabhängig von dem Typ des Brenngases kann der Brenngasstrom zur Brennstoffzelle als Nährstrom bezeichnet werden. Teile des Nährstroms, die entweder auf die Anode oder auf die Kathodenseite geführt werden, sollen bei einer Brennstoffzelle des Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellentyps über eine Polymermembran auf die andere Seite direkt oder in chemisch umgewandelten Zustand geführt werden. So werden bei einer Wasserstoff-Luft-Brennstoffzelle Protonen, die aus dem Wasserstoff stammen, durch die Membran zur Luftseite geführt, um dort Wasser zu bilden. Der Widerstand, den die Protonen erfahren, wenn sie durch die Membran geleitet werden, hängt bei vielen Membrantypen von ihrer Quellung ab. Die Quellung besagt, dass einzelne Wassermoleküle in der Membran sind, die dafür Sorge tragen, dass die Membran aufquellt. Da entlang der gesamten aktiven Fläche der Widerstand für die Protonen möglichst gleich niedrig sein soll, muss häufig Wasser dem Nährstrom beigegeben werden, so dass dieses Wasser wenigstens teilweise in die Membran eindringen kann. Bei einem bestimmten Typ einer Membran erfolgt die Durchleitung der Protonen durch die Membran von Anode zu Kathode durch so genannte Hydrate (vor allem H₃O+), welche nur durch die Anwesenheit von Wasser gebildet werden können.

Ein anderer Grund, warum teilweise Wasser dem Nährstrom beigegeben wird, ist die Kühlung der Brennstoffzelle. Es gibt Brennstoffzellen, die eigene Kühlkreisläufe haben. Andere werden direkt vor der aktiven Fläche gekühlt. Das in den Nährstrom eingebrachte Wasser soll Energie, die bei der Reaktion frei wird, als Verdunstungsenergie oder als Wärmespeicher aufnehmen.

In einigen Brennstoffzellen soll das Wasser dazu beitragen, dass die Reaktionen verbessert ablaufen. Im Laufe der Reaktionen werden Zwischenprodukte gebildet, bevor das Endprodukt gebildet wird. Hierzu wird vermutet, dass Wasser zur Reaktionsmechanismenförderung notwendig oder auch nur hilfreich ist.

Daher ist es notwendig, eine Wasserdosieranordnung einzusetzen, die kontrolliert und exakt eine gewünschte Menge Wasser in einen Nährstrom oder in eine Brennstoffzelle einbringt. Dabei sollte die Menge, die als Wasser dosiert eingebracht werden kann, dynamisch veränderlich sein. Günstig ist ein möglichst breiter Bereich von unterschiedlichen Wassermengen, dies kann auch als hohe Mengendynamik bezeichnet werden. Obwohl eine hohe Mengendynamik vorliegen soll, soll die Dosierung trotzdem exakt arbeiten. Gewünscht ist also eine Kombination aus hoher Mengendynamik und hoher Mengengenauigkeit.

Aus der Patentliteratur sind schon einige Verfahren und Anordnungen zur Wasserdosierung bekannt. In US 6 106 964 wird dargestellt, wie ein Gerät ausschaut, dass insbesondere positive Eigenschaften für eine luftgekühlte Brennstoffzelle aufweist. Bei dem Entwurf der Anordnung gem. US 6 106 964 ist besonderer Wert auf die Rahmenbedingungen gelegt worden, die darin bestanden, dass die Brennstoffzelle im Bereich nahe des Luftdrucks betrieben wird und möglichst ein geringe Komplexität der Anordnung erwünscht ist, die zum Teil daher stammt, dass keine beweglichen Teile für die Wasserdosieranordnung verwendet werden.

In einem automotiven Anwendungsbereich stehen andere Rahmenbedingungen im Vordergrund. So kann es zwar erlaubt sein, bewegbare Teile zu verwenden, dafür muss aber die Mengendynamik der Wasserdosiereinrichtung höher sein. Auch kann in einigen automotiven Anwendungen die Anforderung an die Genauigkeit höher sein, als ein Gerät nach US 6 106 964 bietet. Dabei sollte aber insgesamt die Wasserdosieranordnung so primitiv wie möglich bleiben.

Ein extrem hoher mechanischer Aufwand scheint in einer Lösung nach WO 98/45889 zu stecken, in dem ein Ultraschallzerstäuber, der mit Frequenzen von mindestens 100 kHz betrieben wird, jeweils mit einem einzelnen Kanal in Verbindung steht und Wasser und Brennstoff in jeden einzelnen Kanal einspeist. Das bedeutet, in modernen Brennstoffzellen, in denen teilweise mehrere hundert Kanäle vorhanden sind, müssen mehrere hundert Ultraschallzerstäuber in der Brennstoffzelle platziert werden. Das stellt mechanisch einen ungeheuren Aufwand dar.

Eine weitaus geeignetere Lösung einer Wasserdosieranordnung ist aus EP 629 014 B1 zu entnehmen. In einer Mischkammer ist eine Einspritzdüse, die über eine Versorgungsleitung mit einem nicht dargestellten Wasser-Vorratsbehälter verbunden ist, vorgesehen. Die Zerstäubung des Wassers kann mit Hilfe einer luftgestützten Einspritzdüse erfolgen. Die Wasserdosieranordnung liegt daher außerhalb oder am Anfang der Brennstoffzelle und erfordert nur eine geringe Anzahl an Düsen.

Bisher herrschte die Überlegung vor, daß das Wasser in der Brennstoffzelle selbst nur vergast oder in Gasform eingebracht werden darf. Außerhalb der Brennstoffzelle mußte also sichergestellt werden, daß der überwiegende Anteil des Wassers durch Hinzufügen der ausreichenden Energie in gasförmigen Zustand gebracht wurde. Es wurde geglaubt, daß andernfalls flüssiges Wasser die Brennstoffzelle verstopft und flutet.

Diese und andere Aufgaben und Nachteile werden wenigstens teilweise durch eine Wasserdosieranordnung nach Anspruch 1 und 7 und durch ein Verfahren nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen können jeweils in den abhängigen Ansprüchen gefunden werden.

Ein Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellensystem umfasst eine Anzahl von Komponenten neben der eigentlichen Brennstoffzelle, der Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle wie Wasserdosiereinrichtung, Wasserreservoir, Leitungen, wie Zuleitungen zum Anodenbereich, der aus einer Anzahl einzelner Bereiche bestehen kann, und zum Kathodenbereich, der aus einer Anzahl einzelner Bereiche bestehen kann. Die Leitungen, die zum Anodenbereich und zum Kathodenbereich führen, werden als Anoden- und als Kathodenzuleitung bezeichnet. Die Wasserdosiereinrichtung umfasst eine Zweistoffdüse. Über die Zweistoffdüse wird Wasser, das in einem Wasserreservoir gespeichert oder aufgefangen werden kann, geleitet oder geführt. Als weiteres Medium wird über die Zweistoffdüse ein Reaktand für die Brennstoffzelle geleitet oder geführt. Die Zweistoffdüse vermengt in ihrem Ausgangsbereich die beiden Medien, Wasser und den Reaktanden. Vorzugsweise wird das Wasser im Zentrum der Zweistoffdüse geführt. Der Reaktand wird in den äußeren Umleitungen der Zweistoffdüse geführt. Die Vermengung des Wassers und des Reaktanden erfolgt vorzugsweise vor der Düse, es handelt sich somit um eine äussere Mischung. Jedoch können auch Teile der beiden Medien innerhalb der Düse vermengt werden. Beide Medien treten aus der Düse in Form eines Rundstrahls aus einer oder mehrerer Lochdüsen aus. Die Zweistoffdüse und die Zuleitung bilden ein Bauteil. Damit ein Bauteil gebildet wird, kann die Zweistoffdüse in die Zuleitung eingeschraubt, verschweisst oder eingepresst sein. Auf den Teil der Zuleitung, der dieses eine Bauteil bildet, können weitere Stücke einer Zuleitung draufgepresst, geflanscht, gesetzt, geschraubt oder verschweisst sein. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass ein Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellensystem wenigstens eine Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle, eine Wasserdosiereinrichtung, ein Wasserreservoir, eine erste Zuleitung als Anodenzuleitung zur Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle und eine zweite Zuleitung als Kathodenzuleitung zur Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle umfasst, wobei die Wasserdosiereinrichtung und eine der beiden Zuleitungen als ein Bauteil ausgeführt sind und die Wasserdosiereinrichtung eine Zweistoffdüse ist, über die Wasser aus dem Wasserreservoir und ein Nährstrom der Brennstoffzelle geführt werden. Die Stelle, die innerhalb eines Brennstoffzellenstapels gewählt wird, an der die Zweistoffdüse vorteilhaft platziert wird, sind die Eingangsports für einen der Nährstromgase oder beider Nährstromgase. Alternativ kann innerhalb des Brennstoffzellenstapels eine Zweistoffdüse in der Verteilerplatte oder im Krümmer angeordnet werden.

Der Nährstrom, der für die Brennstoffzelle bestimmt ist, kann sowohl komplett und vollständig über die Wasserdosiereinrichtung geführt sein, als auch teilweise oder zwischenzeitlich über eine Umleitung oder eine Umgehung. Vorzugsweise wird der gesamte Nährstrom der Brennstoffzelle über die Wasserdosiereinrichtung geführt. Eine andere vorzugsweise Anordnung läßt einen Anteil zwischen 10% und 50% des für den Betrieb notwendigen Nährstroms über die Wasserdosiereinrichtung führen und der übrige Anteil des Nährstroms wird über eine Umgehung geführt.

Durch die Schaffung eines Bauteils aus Zuleitung und Wasserdosiereinrichtung bildet eine Wasserdosiereinrichtung die Kathodenzuleitung und eine weitere Wasserdosiereinrichtung stellt die Anodenzuleitung dar.

Innerhalb der Wasserdosiereinrichtung sitzt eine Düsennadel, die in ihrer Längsrichtung einstellbar ist. Die Düsennadel kann vor- und zurückgetrieben werden. Wenn die Düse sich in unterschiedlichen Positionen befindet, kann unterschiedlich viel Wasser an der Düsennadel vorbei geführt werden und so dosiert werden. Die Wasserdosiereinrichtung kann mittels einer längenbewegbaren Düsennadel die Menge des in den Nährstrom eingeleiteten Wassers dosieren und die Düsennadel kann gleichzeitig eine Reinigungsfunktionen wahrnehmen. So kann zum Beispiel eine spitz zuführende oder zulaufende Nadel Rückstände im Wasser, Verschmutzungen, Schmiermittelablagerungen, Silikone und ähnliches aus der Zweistoffdüse abstreifen. In dem Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellensystem ist ein elektronisches Steuergerät, das auch als Kontroller bezeichnet wird, vorhanden. Das Steuergerät sendet elektrische und elektronische Signale an verschiedene Bauteile direkt und über Netzverbindungen wie zum Beispiel CAN- Busse aus. Unter anderem beeinflusst das Steuergerät die jeweilige Position der Düsennadel. Eine Beeinflussung kann dadurch geschehen, daß die Düsennadel durch eine Leistungsstufe des Steuergeräts direkt oder durch ein Steuersignal aus dem Steuergerät angesteuert wird. Bei der indirekten Steuerung treibt eine Spule oder ein Piezoelement die Nadel in der Düse. Die Nadel kann in einer anderen Ausführungsform auch mittels Stellmotor eingestellt werden. Das Steuergerät bestimmt die Sollposition der Düsennadel. Über die Sollpositionseinstellung der Düsennadel wird die Menge des zu dosierten Wassers bestimmt. Die Sollposition wird auf Grund von Temperaturen bestimmt. Ein weiterer Parameter zur Bestimmung der Sollposition ist die ermittelte Menge des Nährstroms. Als besonders geeignet haben sich die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle und die Temperatur des Nährstroms als Messwerte gezeigt. Die Brennstoffzellentemperatur kann dabei nicht direkt gemessen werden. Statt dessen wird die Temperatur des Kühlmittels oder der Brennstoffzellenoberfläche gemessen. Somit wird die Position der Düsennadel über ein elektronisches Steuergerät vorgegeben, das eine Sollposition aus der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle und der Temperatur des Nährstroms bestimmt.

Das Brennstoffzellensystem umfaßt wenigstens ein Wasserreservoir. Häufig werden Brennstoffzellensysteme mit mehr als einem Wasserreservoir ausgestattet. So gibt es Systeme, die ein Wasserreservoir in Form eines Wassertanks für die Kathode und ein Wasserreservoir in Form eines Wassertanks für die Anode haben. Das Wasser wird in tropfenförmiger Weise dem Nährstrom beigemischt. Hierzu wird eine Zweistoffdüse verwendet. Wobei aber nicht immer der gesamte Nährstrom über die Zweistoffdüse geleitet wird. Ein Teil des Nährstroms kann durch einen Beipass bzw. in englischer Schreibweise Bypass umgeleitet werden. Die Mischvorrichtung in einem Brennstoffzellensystem mittels dessen ein Nährstrom mit tropfenförmigen Wasser gemischt wird, leitet Wasser in eine Zweistoffdüse, die wenigstens einen Teil des Nährstroms durchleitet und Wasser aus einem Wasserreservoir in den Nährstrom einleitet, wobei die Tropfen des tropfenförmigen Wassers stromabwärts von der Zweistoffdüse und unmittelbar hinter der Zweistoffdüse zwischen Wasserreservoir und Brennstoffzelle eingeleitet werden.

Dynamische Brennstoffzellensysteme werden so ausgelegt, daß sie sowohl geringe Ströme als auch hohe Ströme liefern können. Dynamisch wechselt das System zwischen Hochstrom und Niedrigstrom hin und her, je nach dem was von dem System gerade verlangt wird. In Abhängigkeit von dem geforderten Strom werden die Nährströme der Kathoden und der Anoden mengenmäßig verändert und eingestellt. An Hand der Kathode wird im Folgenden gezeigt, wie sich die Luftmenge berechnen läßt, die durch die Kathoden strömen muss:

mit
≙_L Luftvolumenstrom in (Nl/min]
z Brennstoffzellenanzahl im Brennstoffzellenstapel
λ_L Stöchiometrie, mit der die Brennstoffzelle betrieben werden soll
F Faradaykonstante [96485 C/mol]
I Strom der Brennstoffzelle in [A]

Die Nährstrommenge in Form einer Gasmenge, die durch die Anode strömen muß, wird nach einer ähnlichen Formel berechnet, bei der die Faktoren und Konstanten an die Medien des Anodennährstroms angepaßt sind.

Unter Hinzuziehung der allgemeinen Gasgleichung und der Formel oder einer Näherungsformel für den Sättigungsdruck des Dampfdrucks, deren Faktoren durch Tabellenwerte bestimmt werden, läßt sich leicht die Masse des einzuspritzenden Wassers bestimmen. Dabei ist der Sättigungsdruck des Dampfdrucks stark druck- und temperaturabhängig. Jeder Parameter kann dabei individuell eingestellt werden. In Abhängigkeit des Betriebspunktes läßt sich das einzuspritzende Wasser bestimmen. So wird ein Brennstoffzellensystem so ausgelegt, dass ein Strom von 300 Ampere von 100 Brennstoffzellen gezogen werden kann. Ein anderes System wird so ausgelegt, daß ein Strom von 10 Ampere von 10 Brennstoffzellen gezogen werden kann. Ein drittes System soll dynamisch zwischen 1000 Ampere und 0 Ampere wechseln können, wobei die Brennstoffzellenstapelspannung zwischen 200 V und 800 V liegt. Das erste System hat einen Normliterdurchsatz der Luft von 900 Nl/min. Das zweite System hat einen Normliterduchsatz der Luft von 3 Nl/min und das dritte System pendelt zwischen 6900 Nl/min und nahezu 0 Nl/min. Je nach Temperaturbetriebspunkt der Brennstoffzelle beträgt die Wassermenge wenige Gramm pro Minute bis zu fast 0,5 kg/min. Ebenfalls in die Berechnung der benötigten Wassermenge geht die Nährstrommenge ein. Da es keine Mischvorrichtungen gibt, die mittels einer Zweistoffdüse den gesamten Dynamikbereich abdecken, ist es notwendig, eine Mischvorrichtung zu schaffen, die alle Betriebspunkte abdecken kann. Hierzu hat die Zweistoffdüse der Mischvorrichtung eine kaskadierte Gruppe von Einzeldüsen. Je nach Bedarf wird dann keine, eine oder mehrere Einzeldüsen geöffnet oder geschlossen.

Eine zuvor beschriebene Anordnung mit einer Zweistoffdüse kann nach einem Verfahren zum Dosieren von Wasser in einen Nährstrom betrieben werden. Der Nährstrom ist für die Brennstoffzelle bestimmt und strömt direkt oder indirekt in die Brennstoffzelle hinein. Das Wasser ist nicht ausschließlich flüssig und nicht ausschließlich gasförmig, wenn es sich mit dem Nährstrom vermischt. Das Wasser und der Nährstrom werden wenigstens teilweise über eine Zweistoffdüse in Form eines Zweiphasengemisches vermischt bevor sie in die Brennstoffzelle eingeleitet werden. Da das Wasser nicht immer konstant dosiert werden soll, werden in zeitabhängiger Weise Änderungen durchgeführt. Das Wasser wird in zeitabhängiger Weise intermittierend oder modulierend dosiert, wobei die Menge des Wassers von der Temperatur des Nährstroms und der Temperatur der Brennstoffzelle und von dem Lastpunkt der Brennstoffzelle abhängt. Dabei ist es hilfreich, daß Wasser in eine andere Richtung zu dosieren oder einzuspritzen als die Vorzugsrichtung des Nährstroms ist. Eine Wasserdosiereinrichtung kann so ausgerichtet sein, daß das Wasser seitlich in den Nährstrom eingeleitet wird. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung ist die Einleitung in die genau entgegengesetzte Richtung zum Nährstrom. Dadurch wird das Wasser mit dem Nährstrom unter geeigneten Strömungsbedingungen besser durchwirbelt.

Die Erfindung kann durch Hinzuziehung der folgenden Figuren besser verstanden werden, wobei
Fig. 1 schematisch den inneren Kern eines Brennstoffzellenstapels in horizontalem Schnitt zeigt,
Fig. 2 in verfahrenstechnischer Darstellungsweise ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem zeigt,
Fig. 3 in verfahrenstechnischer Darstellungsweise ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem zeigt,
Fig. 4 den schematischen Aufbau einer geeigneten Zweistoffdüse darstellt,
Fig. 5 in Explosionszeichnung schematisch das Zusammenwirken einer Zweistoffdüse mit einem Brennstoffzellenstapel zeigt,
Fig. 6 in Explosionszeichnung schematisch ein weiteres Zusammenwirken einer Zweistoffdüse mit einem Brennstoffzellenstapel zeigt, und
Fig. 7 in Explosionszeichnung schematisch ein weiteres Zusammenwirken einer Zweistoffdüse mit einem Brennstoffzellenstapel offenbart.
Fig. 1 stellt schematisch in einem horizontalen Schnitt den inneren Kern eines typischen Brennstoffzellenstapels 1 dar, der durch eine erste und eine zweite Endplatte 3, 5 abgeschlossen ist. In dessen Mitte liegen eine Anzahl von Brennstoffzellen 29, die miteinander über ein Tellerfedersystem 27 verspannt sind. In den Endplatten sind Ports 7, 9, 11, 13 und Verteiler 15, 17, 19 vorhanden. Weitere Hohlräume 21, 23, 25 existieren in den Endplatten 3, 5, die auf der einen Seite zur Gewichtsreduzierung dienen und auf der anderen Seite wenigstens teilweise als Kanäle zu den Brennstoffzellen 29 dienen. Die Fluide, wie zum Beispiel der Nährgasstrom oder das Kühlmittel gelangen in den Brennstoffzellenstapel 1 über die Ports 7, 9, 11, 13 der Endplatten 3, 5 und werden aus einem anderen Port 7, 9, 11, 13 wieder aus dem Brennstoffzellenstapel ausgeleitet. In den Endplatten 3, 5 stehen die Ports 7, 9, 11, 13 in Verbindung mit den Verteilern 15, 17, 19 und den Kanälen 21, 23, 25. Die Endplatten 3, 5 sind geschichtet aufgebaut, so daß pro Schicht ein Nährstromgas oder ein Kühlmittel überwiegend an die entsprechenden Stellen der Brennstoffzellen geleitet werden können und nur wenige andere Hohlräume für die übrigen Medien der Brennstoffzellen in der jeweiligen Schicht bestimmt sind.
Fig. 2 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 100 mit verfahrenstechnischen Symbolen, in dessen Zentrum der Brennstoffzellenstapel als Brennstoffzelle 101 dargestellt steht. Die Brennstoffzelte 101 hat eine oder mehrere Membranelektrodeneinheiten 103, eine oder mehrere Anoden 105, eine oder mehrere Kathoden 107 und eine gewisse Anzahl von Kühlräumen 109, 111. Die Kühlräume bilden mit einem Wärmetauscher 113, einer Kühlmittelpumpe 115 und entsprechenden Verrohrungen und Leitungen ein abgeschlossenes System. An der Kathode 107 ist ein Wasserabscheider 117 mit einer Füllstandskontrolle und einer Ausleitung und einer Weiterleitung auf eine Wasserpumpe 119 angeschlossen. Die Wasserpumpe 119 ist mit einem ersten und einem zweiten Wasserreservoir 121, 123 in Verbindung, die als Wassertanks mit Füllstandskontrollen und Be- und Entdruckungsmöglichkeiten 125, 127, 129, 131 in Form von Zu- und Ableitungsventilen ausgeführt sind. Die Ableitungsventile 125, 127 gelten als Entspannungsventile, die gleichzeitig Entwässerungsfunktionen übernehmen können. Auf der Anodenseite der Brennstoffzelle 101 ist ein Nährstromtank 135 mit einem Absperrventil 133 angeordnet, während auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle 101 ein Kompressor 137, der über eine Welle 141 von einem Motor 139 angetrieben wird, angeordnet. An der Stelle des Absperrventils 133 kann auch je nach System ein Druckminderventil oder eine Jet-Pump oder eine Gasstrahlpumpe bzw. eine Umwälzpumpe sein. Zwei Wasserdosiereinrichtungen 143, 145 sind schematisch am Anfang der Brennstoffzelle dargestellt, um zu verdeutlichen, dass die Wasserdosiereinrichtungen 143, 145 in Form von Einspritzdüsen, so genannten Zweistoffdüsen, in den Ports 7, 9, 11, 13 oder den Verteilern 15, 17, 19 oder den Kanälen 21, 23, 25 der Fig. 1 platziert sind. Das Produktwasser in einem Brennstoffzellensystem 100 nach Fig. 2 wird, sofern die Markierung der Füllstandskontrolle nicht überschritten ist, aus dem Abstrom der Brennstoffzelle 101 im Wasserabscheider 117 abgeschieden und über die Pumpe 119 in das erste oder zweite Wasserreservoir 121, 123 eingeleitet. Wo es in einem bedruckten Zustand aufverwahrt wird, um anschließend in genau dosierten Mengen über die Einspritzdüsen 143, 145 zusammen mit dem Fluid, das von dem Kompressor 137 oder aus dem Nährstromtank 135 stammt, in die Brennstoffzelle 101 einzuleiten. Das System 100 kann auch so ausgeführt werden, daß an Stelle des ersten und des zweiten Wasserreservoirs 121, 123 nur ein Wassertank verwendet wird. Bei optimal eingestellten Brennstoffzellensystemen 100 sind Wassertanks insgesamt überflüssig, da das Produktwasser aus der Brennstoffzelle in genau der richtigen Menge abgeschieden wird, um wieder über die Wasserdosiereinrichtungen für die Brennstoffzelle 101 zur Verfügung zu stehen.
Ein weiteres, erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 200, mit verfahrenstechnischen Symbolen dargestellt, ist in Fig. 3 zu sehen. Ähnliche Bauteile wie in Fig. 2 sind mit um 100 erhöhte Bezugszeichen versehen worden, wobei es augenscheinlich ist, daß die Ausdrücke wie Wasserpumpe, Wassertank, Nährstromtank usw. als generische Ausdrücke für eine Klasse von Bauteilen mit ähnlicher Funktion zu verstehen sind. So ist an Stelle des Wärmetauscher 213 natürlich auch ein Expander (in luftgekühlten Systemen) oder ein Kühler äquivalent einzusetzen. Die Brennstoffzelle 201 hat einen oder mehrere Kühlräume 209, 211, einen oder mehrere Anoden- und Kathodenräume 205, 207 und eine Anzahl von Membranelektrodeneinheiten 203. Der elektrische Strom der Brennstoffzelle 201 wird über einen Stromaufnehmer 253, wie ein Shunt oder eine Strommeßzange, gemessen. Über ein Steuergerät 283, das den Messwert des Stromaufnehmers 253 aufnimmt, werden der Motor 239 des Kompressors 237, zwischen denen eine Welle 241 in Verbindung steht, die Ventile 231, 225, die Abzweiger 247, 249 und die Wasserdosiereinrichtungen 243 und 245 angesteuert. Der Kühlkreislauf geht von den Kühlräumen 209, 211 über den Wärmetauscher 213 und die Kühlmittelpumpe 215. Es ist jeweils wenigstens ein Abzweiger 247, 249 in der Verrohrung zur Anode und zur Kathode vor den Wasserdosiereinrichtungen 243, 245. Auf Grund der zuvor angegebenen Formeln kann die Menge des produzierten Wassers an Hand des elektrischen Stroms von der Brennstoffzelle berechnet werden. Mit dem Messwert des Stroms werden die Abzweiger 247, 249 so eingestellt, daß ein Teil des Nährstroms vom Kompressor 237 oder vom Nährstromtank 235 direkt in die Brennstoffzelle 201 eingeleitet werden kann und ein Teil über die Wasserdosiereinrichtungen 243, 245 geführt wird. Je nach der Berechnung des Steuergeräts 283 kann die eine, oder die andere Zuleitung zur Anode 205 oder Kathode 207 ab den Abzweigern 247, 249 komplett geöffnet oder komplett geschlossen werden oder auch nur teilweise. Der Wassertank 223 und das Entdruckungsventil 251 und das Bedruckungsventil 234 bilden eine ähnliche Anordnung wie die Bauteile 231, 225, 221. Der Wasserabscheider kann das im Kathodenabgas befindliche Wasser wie zum Beispiel Produktwasser abscheiden. Mit Hilfe einer nicht dargestellten Bedruckungsanlage kann über das Ventil 231, das in dem Fall als Druckeinlaßventil funktioniert, Druck auf das Wasser im Wassertank 221 gegeben werden. Mit Hilfe des voreingestellten Drucks, der in einem Bereich von 0 bar Überdruck und 3 bar Überdruck liegt, ist die einzudosierende Wassermenge über die Wasserdosiereinrichtungen 243, 245 ebenfalls einzustellen. Vorzugsweise wird ein Überdruck von 0,5 bar bis 1,5 bar gewählt.
Auch sind Brennstoffzellensysteme vorstellbar, die eine Kombination der Systeme nach Fig. 2 und Fig. 3 darstellen.
Das wesentliche Element der Wasserdosiereinrichtung ist in Fig. 4 dargestellt. Die Zweistoffdüse 300 ist rotationssymetrisch aufgebaut und hat an ihrem einen Ende eine Lochdüse 312 zur direkten Einspritzung des Wasser-Nährstromgemisches in den Port, den Kanal oder eine Umlenkung der Brennstoffzelle. Mit Hilfe der Düsennadel 302, die bewegbar in der Düse 300 sitzt, kann durch ein Vor- und Zurückbewegen die Menge des Nährstroms verändert werden. Der Nährstromkanal 304 steht in Verbindung mit dem Kompressor 237 oder dem Nährstromtank 235 aus Fig. 3. Zwischen dem Wasserkanal 308 und dem Nährstromkanal 304 befindet sich eine Trennwand 306. Die Zweistoffdüse 300 ist durch einen Außenmantel 310 abgeschlossen. Ein anderes Verfahren als über den Vordruck im Wasserreservoir das Wasser zu dosieren besteht darin, den Nährstromkanal 304 und den Wasserkanal 308 gegeneinander auszutauschen. Dadurch kann durch ein Verstellen der Düsennadel 302 die Menge des Wassers an Stelle des Nährstroms dosiert werden.
Fig. 5 stellt schematisch eine geeignete Anordnung einer Zweistoffdüse 403 mit einem Brennstoffzellenstapel 400 dar, der eine Gruppe von Bipolarplatten 401 hat, in denen ein interner Kanal 415 geformt ist. Der Brennstoffzellenstapel 400 wird durch eine Endplatte 405 abgeschlossen, die so gestaltet ist, dass ein Krümmer eines Eingangsports 417 in die Endplatte 405 geflanscht ist. In die Führungshülle 421 des Eingangsports 417 ist die Zweistoffdüse durch eine Kappe 419 verklemmt. Die Zweistoffdüse 403 ist mit einer ersten und einer zweiten Zuleitung 407, 409 ausgestattet, die auf den inneren und äußeren Kanal der Zweistoffdüse nach Fig. 4 führen. Der Düsenkopf 413 ist so platziert, dass der Düsenstrahl im Übergangsbereich des Brennstoffzellenstapels vom Eingangsports 417 zum internen Kanal 415 einen Rundstrahl ausstößt.
Fig. 6 zeigt in schematischer Darstellung, wie eine Zweistoffdüse 503 in eine Endplatte 505 eines Brennstoffzellenstapels 500 eingelassen ist. Der Brennstoffzellenstapel 500 besteht aus einer Anzahl von Bipolarplatten 501, die einen internen Kanal 515 bilden. Der Düsenkopf 513 der Zweistoffdüse 503 befindet sich in dem internen Kanal 515. Die Zweistoffdüse 503 ist mit der Endplatte 505 verschraubt. Der Düsenstrahl 511, der als Rundstrahl in den internen Kanal 515 dosiert wird, erzeugt feine Tropfen mit einem Sauterdurchmesser um 50 µm. Der nicht vollständig durch die Zweistoffdüse in den internen Kanal eingeleitete Nährstrom strömt in die entgegengesetzte Richtung zum Düsenstrahl 511 im internen Kanal 515. Die Zweistoffdüse 503 ist mit einer ersten Zuleitung 509 und einer zweiten Zuleitung 507 ausgestattet, an die der Nährstrom und das Produktwasser angeschlossen sind. Je nachdem, ob die erste oder die zweite Zuleitung für den Anschluss des Nährstroms gewählt wird, ist der Nährstrom oder das Wasser über die Zweistoffdüsennadel zu dosieren.
Der Brennstoffzellenstapel 600 in Fig. 7 steht ebenfalls mit einer Düse 603 in Verbindung. Der Krümmer 617 ist so ausgestaltet, daß er sowohl eine Düse 603 in einer Führungshülle 621, gehalten durch eine Kappe 619, als auch einen Abzweiger 623 aufnehmen kann. Der Abzweiger 623 dosiert die Menge des Nährstroms, der außerhalb der Düse 603 für den internen Kanal 615 der Bipolarplatte dazu dosiert werden soll.
Obwohl nur einzelne, besonders geeignete Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, versteht es sich von selbst, daß die Erfindungen auch Ausführungsformen abdeckt, bei denen die Zweistoffdüse seitlich, senkrecht oder rückwärtig innerhalb eines Brennstoffzellenstapels oder an seinem Rand angeordnet ist. Dabei sind die Einbauorte der Zweistoffdüsen nicht nur auf die Krümmer und die internen Kanäle der Brennstoffzellenstapel begrenzt, sondern die Düsenköpfe können auch in den Verteilern oder Umlenkungen sitzen. Je nach Druck und Temperatur der Brennstoffzelle werden andere Sauterdurchmesser der Wassertröpfen gewählt. Hierzu wird statt eines Rundstrahls auch ein Flachstrahl eingesetzt. Daher ist die Düsenspitze zu verändern.

Claims

1. Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellensystem,
umfassend wenigstens eine Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle,
eine Wasserdosiereinrichtung,
ein Wasserreservoir,
eine erste Zuleitung als Anodenzuleitung zur Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle und
eine zweite Zuleitung als Kathodenzuleitung zur Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle,
wobei die Wasserdosiereinrichtung und eine der beiden Zuleitungen als ein Bauteil ausgeführt sind
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wasserdosiereinrichtung eine Zweistoffdüse ist, über die Wasser aus dem Wasserreservoir geführt wird und über die ein Nährstrom der Brennstoffzelle geführt wird.

2. Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Nährstrom der Brennstoffzelle über die Wasserdosiereinrichtung geführt ist.

3. Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil zwischen 10% und 50% des für den Betrieb notwendigen Nährstroms über die Wasserdosiereinrichtung geführt ist und der übrige Anteil des Nährstroms über eine Umgehung geführt wird.

4. Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserdosiereinrichtung die Kathodenzuleitung darstellt und eine weitere Wasserdosiereinrichtung die Anodenzuleitung darstellt.

5. Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserdosiereinrichtung mittels einer längenbewegbaren Düsennadel die Menge des in den Nährstrom eingeleiteten Wassers dosiert und die Düsennadel Reinigungsfunktionen wahrnehmen kann.

6. Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellensystem nach Anspruch 5, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Düsennadel über ein elektronisches Steuergerät vorgegeben wird, das eine Sollposition aus der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle und der Temperatur des Nährstroms bestimmt.

7. Mischvorrichtung in einem Brennstoffzellensystem mittels dessen ein Nährstrom mit tropfenförmigen Wasser gemischt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung eine Zweistoffdüse ist, die wenigstens einen Teil des Nährstroms durchleitet und Wasser aus einem Wasserreservoir in den Nährstrom einleitet, wobei die Tropfen des tropfenförmigen Wassers stromabwärts von der Zweistoffdüse und unmittelbar hinter der Zweistoffdüse zwischen Wasserreservoir und Brennstoffzelle eingeleitet werden.

8. Mischvorrichtung in einem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Zweistoffdüse der Mischvorrichtung eine kaskadierte Gruppe von Einzeldüsen umfasst.

9. Verfahren zum Dosieren von Wasser in einen Nährstrom hinein einer Brennstoffzelle dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser und der Nährstrom wenigstens teilweise über eine Zweistoffdüse in Form eines Zweiphasengemisches vermischt werden bevor es in die Brennstoffzelle eingeleitet wird.

10. Verfahren zum Dosieren von Wasser in einen Nährstrom hinein einer Brennstoffzelle nach Anspruch 9 weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser in zeitabhängiger Weise intermittierend oder modulierend dosiert wird, wobei die Menge des Wasser von der Temperatur des Nährstroms und der Temperatur der Brennstoffzelle und von dem Lastpunkt der Brennstoffzelle abhängt.

11. Verfahren zum Dosieren von Wasser in einen Nährstrom hinein einer Brennstoffzelle nach Anspruch 9 weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der Nährstrom eine andere Vorzugsrichtung hat als die Vorzugsrichtung des dosierten Wassers.