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Technisches
Gebiet
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Diese Erfindung bezieht sich auf
eine atmosphärische
Brennstoffzelle mit Polymerelektrolytmembran (PEM), deren Stöchiometrie
durch Disposition der Gebläseleistung
in Abhängigkeit
des Belastungsstroms gesteuert wird.
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Stand der Technik
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Die Menge von Luft, die durch eine
Brennstoffzelle durch den Brennstoffzellenprozess verbraucht wird,
wird als die "stöchiometrische" Menge bezeichnet.
Das Verhältnis
von (a) der Gesamtmenge an Luft, die zum Oxidationsmittel-Strömungsfeld geliefert
wird, zu (b) der stöchiometrischen
Menge an Luft wird typischerweise (und hierin) als Stöchiometrie
bezeichnet. Manchmal wird Stöchiometrie
als Prozentsatz genannt: Eine Stöchiometrie
von 333 impliziert 333% und ist die gleiche wie eine Stöchiometrie von
3,3 (wie hier verwendet). Der Ausdruck "Luftverwertung" bezieht sich auf den Kehrwert der Stöchiometrie
und ist der Prozentsatz an Gesamtluft, welcher verbraucht wird:
Verwertung von 30 (impliziert 30%) ist gleich einer Stöchiometrie
von 3,3 oder 333 (impliziert 333%).
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Die meisten konventionellen Brennstoffzellen,
die im Stand der Technik bekannt sind, werden mit einer im Wesentlichen
konstanten Stöchiometrie von üblicherweise
zwischen 2 und 3,5 betrieben. Diese Auswahl schafft einen Ausgleich
zwischen dem zusätzlich
benötigten
Oxidationsmittel bei hohen Belastungsströmen und dem Erfordernis, Verschwendung
von parasitärer
Leistung zu begrenzen, welche aus übermäßiger Verdichtung des Oxidationsmittels folgt.
Im US-Patent 5 336 821 wurde vorgeschlagen, dass eine PEM-Brennstoffzelle, die
bei einer oder zwei Atmosphären
arbeitet, den Luftstrom anpassen kann, um entweder (1) die Ausgangsspannung
für jede
Strombelastung konstant zu halten, oder (2) um optimalen Betrieb
zu ermöglichen,
bei welchem die parasitische Leistung (die hauptsächlich verwendet wird,
um einen Verdichter zu betreiben) minimiert ist, oder (3) um ein
bestimmtes Sauerstoffverwertungsverhältnis aufrechtzuerhalten. In
diesem Patent liefert der Verdichter verdichtete Luft an einen Vorratstank,
welcher einen Sollwertdruck hat, und der Kompressor wird verwendet,
um den Sollwertdruck im Luftspeichertank zu erhalten. Die Steuerung
der Strömung
wird erreicht durch Berechnen einer gewünschten Strömungsrate, Beobachten des Luftströmungsinputs
in und des Stromoutputs aus der Zelle, und Regulieren der Luftströmung durch
die Brennstoffzelle durch Strömungssteuerungventile.
Beim separaten Beschreiben der vorangegangenen Ziele schließt das Erreichen
eines Ziels das Erreichen eines der beiden anderen Ziele aus. Die
Auswahlmöglichkeiten
schließen
ein: Steuern von Strömung
und Stöchiometrie
für eine
konstante Spannung bei allen Belastungsströmen, mit dem Nachteil einer
hohen parasitären
Leistung; Steuern der Strömung
für minimierte
parasitäre
Leistungen mit einem Nachteil von großen Veränderungen in der Ausgangsspannung und
Leistung in Abhängigkeit
des Belastungsstroms; und Steuern der Strömung für konstante Stöchiometrie
mit dem Nachteil von veränderlicher
Spannung und Leistung in Abhängigkeit
von dem Belastungsstrom und erhöhter
parasitärer
Leistung bei sowohl höherem
Belastungsstrom als auch niedrigerem Belastungsstrom. Die parasitäre Leistung
in jeglicher PEM-Brennstoffzelle, die einen Verdichter verwendet,
wird die Nutzung in Fahrzeugen ausschließen.
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Beschreibung
der Erfindung
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Ziele der Erfindungen schließen den
verbesserten Betrieb von PEM-Brennstoffzellen bei nahezu atmosphärischem
Druck ein; PEM-Brennstoffzellen, die bei nahezu atmosphärischem
Druck arbeiten mit einer Ausgangsspannung, die in Abhängigkeit
des Belastungsstroms mäßig abnimmt;
und PEM-Brennstoffzellen, die bei nahezu atmosphärischem Druck arbeiten, mit
verbesserten Eigenschaften, welche sie zur Anwendung in Fahrzeugen
geeigneter machen.
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Diese Erfindung gründet auf
der Entdeckung, dass eine gemäßigte Zunahme
der Luftstöchiometrie
in Abhängigkeit
des Belastungsstroms die Betriebseigenschaften von PEM-Brennstoffzellen, die
bei nahezu atmosphärischem
Druck arbeiten, verbessert.
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Erfindungsgemäß wird die Massenströmungsrate
von Luft in PEM-Brennstoffzellen, die bei im Wesentlichen atmosphärischem
Druck arbeiten, über
stöchiometrische
Mengen hinaus erhöht,
um die Stöchiometrie
in Abhängigkeit
des Belastungsstroms zu steuern, in Erwiderung auf eine Disposition
der Pumpen- oder Gebläseleitung
in Abhängigkeit
des Belastungsstroms. Erfindungsgemäß wird die Stöchiometrie
in der PEM-Brennstoffzelle, die bei nahezu atmosphärischem
Druck arbeitet, außerdem
in Abhängigkeit
des Belastungsstroms vergrößert mittels Erhöhung der
Geschwindigkeit einer Oxidationsmittelpumpe oder -gebläses am Einlass
oder Auslass eines Oxidationsmittelströmungsfelds. Außerdem wird gemäß der Erfindung
die Stöchiometrie
mit einer Rate zwischen 1,7 pro A/cm2 und
2,5 pro A/cm2 für Stromdichten oberhalb eines
Schwellenwerts erhöht. Die
Pumpe oder das Gebläse
kann durch variable Eingangsspannung gesteuert werden, durch Umschalten
des Arbeitszyklus der Eingangsspannung oder auf jede andere bekannte
Art.
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Die vorliegende Erfindung würdigt, dass
weder die parasitäre
Leistung, die Spannung, noch jeglicher andere Parameter einer Brennstoffzelle
zu seinem Optimum gesteuert werden kann, während gleichzeitig ein weiterer
dieser Parameter zu einem entsprechenden Optimum gesteuert wird.
Anstattdessen würdigt
die Erfindung, dass es Vorteile für eine variable Stöchiometrie
gibt, welche für
eine Anzahl von Parametern gleichzeitig erreicht werden kann, wenn
die Stöchiometrie
in angemessener Weise geändert
wird. Obwohl die Spannung z.B. nicht konstant bleiben kann, vereinfacht
das Begrenzen der Veränderungen
der Spannung in Abhängigkeit des
Belastungsstroms die Power-Conditioning-Einrichtung,
welche als Teil jeder Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage verwendet
wird, wodurch deren Größe, Gewicht
und Kosten reduziert werden. Dies macht die Brennstoffzelle mit
ihrer Power-Conditioning-Einrichtung für bestimmte Anwendungen geeigneter,
wie z.B. für
Fahr zeuge. Das Anpassen der Stöchiometrie
gemäß der vorliegenden Erfindung
verbessert außerdem
die Wasser-Selbstversorgung des Brennstoffzellenprozesses, im Gegensatz
zur Verwendung einer festgelegten Stöchiometrie, wie im Stand der
Technik üblich.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung einer bekannten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage,
die jedoch erfindungsgemäß modifiziert
ist, um eine Pumpe oder ein Gebläse
mit variabler Geschwindigkeit einzuschließen.
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2 ist
ein Diagramm der Zellenspannung in Abhängigkeit der Stromdichte einer
Brennstoffzelle, die im Wesentlichen bei atmosphärischem Druck arbeitet, welche
nicht die vorliegende Erfindung verwendet.
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3 ist
ein Diagramm der Zellenspannung in Abhängigkeit der Sauerstoffstöchiometrie
für eine Mehrzahl
von Belastungsströmen,
mit einem darauf dargestellten Bereich der Stöchiometrie in Abhängigkeit
der Belastungsstromdispositionen gemäß der vorliegenden Erfindung.
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4 ist
ein Diagramm der Belastungsdispositionen von 3, dargestellt als Sauerstoffstöchiometrie
in Abhängigkeit
der Stromdichte.
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5 ist
ein Diagramm der Leistungsdichte in Abhängigkeit der Stromdichte für variable
Stöchiometrie
der Erfindung und festgelegte Stöchiometrie des
Stands der Technik.
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6 ist
ein Diagramm des maximalen Abgastaupunkts für einen Zellenstapel, der die
vorliegende Erfindung verwendet.
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7 und 8 sind Diagramme der Pumpen- oder
Gebläseleistung
in Funktion der Stromdichte gemäß der vorliegenden
Erfindung und dem Stand der Technik.
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9 ist
eine vereinfachte schematische Darstellung der direkten Anwendung
einer Disposition der Pumpen- oder Gebläseleistung in Abhängigkeit
des Stroms gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In Bezug auf 1 weist eine PEM-Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 typischerweise
eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 12 auf, die elektrisch
in Reihe verbunden sind und als Zellenstapelanordnung bezeichnet
werden. Aus Gründen
der Klarheit zur Verdeutlichung der vorliegenden Erfindung wird
jedoch eine Brennstoffzelle 12 beschrieben. Jede Brennstoffzelle 12 weist
eine Anodenträgerplatte 14,
eine Kathodenträgerplatte 18 und
eine Membranelektrolytanordnung (MEA) 16 auf, die zwischen
der Anodenträgerplatte 14 und
der Kathodenträgerplatte 18 angeordnet
ist. Beide Trägerplatten enthalten
typischerweise ein poröses
Elektrodensubstrat und ein Reaktantenströmungsfeld. Der Brennstoffreaktanten-Gasstrom
versorgt das Brennstoffströmungsfeld
der Anodenträgerplatte 14 mit
dem Brennstoffreaktantengas, wie z.B. Wasserstoff, aus einer Brennstoffquelle
(nicht gezeigt), und der Oxidationsmittelreaktanten-Gasstrom 24 versorgt
das Oxidationsmittelströmungsfeld
der Kathodenträgerplatte 18 mit
Oxidationsmittelreaktantengas. Das Oxidationsmittelreaktantengas
ist Luft, durch eine Pumpe oder ein Gebläse 32 unter Druck
gesetzt. Wenn die Reaktantengase durch die Brennstoffzelle 12 strömen, bildet
sich Wasser als Produkt an der Kathodenseite der MEA 16.
Wasser im Brennstoffreaktanten-Gasstrom 22 geht durch die
MEA 16 hindurch und tritt in die Kathodenträgerplatte 18 ein.
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Eine Wassertransportplatte 20 dient
zum Entfernen eines Teils des Produkt-Wassers von der Kathodenträgerplatte 18 und
inkorporiert dieses Wasser in den Kühlmittelstrom 26.
Die Wassertransportplatte 20 kühlt auch die Brennstoffzelle 12.
Deswegen wird die Wassertransportplatte 20 gelegentlich
als Kühlerplatte
bezeichnet. Der Kühlmittelstrom 26,
Brennstoff-Reaktantengasstrom 22 und Oxidationsmittelreaktanten-Gasstrom 24 sind
fluidmäßig mit einander
in Verbindung durch die Wassertransportplatte 20. Es ist
bevorzugt, das Wasser innerhalb der PEM-Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 innerhalb
der Wassertransportplatte 20 handzuhaben. Beispiele von
Wasserhandhabungssystemen schließen das Aufrechterhalten einer
positiven Druckdifferenz zwischen den Reaktantengasen und dem Kühlmittelwasser
ein, wie in US-Patent Nr. 5 503 944 und 5 700 595 dargestellt. Ein
Betrieb der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 in
der Art, dass der Druck des Oxidationsmittelreaktanten-Gasstroms 24 größer ist
als der Druck des Kühlmittelstroms 26,
stellt die Bewegung von Produktwasser von der Kathode 18 zur
Wassertransportplatte 20 sicher.
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Wenn eine hydrophile Substratschicht
in der Anodenträgerplatte 14 und/oder
Kathodenträgerplatte 18 mit
eingeschlossen ist, ist es notwendig, die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 so
zu betreiben, dass ein Druckunterschied zwischen dem Brennstoffreaktanten-Gasstrom 22 und
dem Kühlmittelreaktanten-Gasstrom 26 wie
auch zwischen dem Oxidationsmittelreaktanten-Gasstrom 24 und
dem Kühlstrom 26 vorhanden
ist, um zu verhindern, dass die Kathodenträgerplatte 18 oder
die Anodenträgerplatte 14 überschwemmt
wird. Insbesondere baut der Druckunterschied ein Verhältnis von
Kühlmittel
zu Reaktantengas innerhalb des hydrophilen Substrats auf. Das Verhältnis von
Flüssigkeit
zu Reaktantengas ist eine Funktion der Porengröße des hydrophilen Substrats
und des Druckunterschieds zwischen den Reaktanten und Kühlungsströmen. Jedes
hydrophile Substrat hat eine festgelegte Porengröße und eine festgelegte Porosität. Falls
der Druckunterschied abnimmt, steigt der Anteil von mit Wasser gefüllten Poren.
In Abhängigkeit
eines Druckunterschieds zwischen dem Flüssigkeitsdruck und dem Reaktantengasdruck
nähert
sich der Anteil von mit Wasser gefüllten Poren 100%, wodurch die
Kathode überschwemmt
wird. Überschwemmen
der Kathode verhindert, dass das Oxidationsmittelreaktantengas die Katalysatorschicht
erreicht, weil die Mehrzahl der Poren mit Wasser gefüllt sein
wird und die elektrische Leistung abnehmen wird. Der bevorzugte
Anteil von mit Reaktantengas und Wasser gefüllten Poren ist abhängig von
der Porengröße innerhalb
der Substratschicht und dem Druckunterschied zwischen dem jeweiligen
Reaktantengasstrom 22, 24 und dem Kühlmittelstrom 26.
Der Anteil von Flüssigkeit
oder Reaktantengas enthaltenden Poren wird gesteuert durch den Druck
des Kühlungsstroms 26 bzw.
der Reaktantengasströme 22, 24,
wobei die Reaktantengasströme 22, 24 üblicherweise
einen größeren Druck
haben als der Kühlungsgasstrom 26.
Weil der Druck der Reaktantengasströme 22, 24 üblicherweise
in etwa dem Umgebungsdruck entsprechen, ist insbesondere der Druck
des Kühlungsstroms 26 geringer
als der Umgebungsdruck. Der Druckunterschied zwischen dem Kühlungsstrom 26 und
den Reaktantengasströmen 22, 24 wird
außerdem üblicherweise
im Bereich von etwa 0,5 psi bis 5,0 psi (3,4 kPa bis 34 kPa) betragen.
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Wie in 1 dargestellt,
weist ein solches Mittel zum Aufrechterhalten einer positiven Druckdifferenz
zwischen den Reaktantengasströmen 22, 24 und
dem Kühlungsstrom 26 das
Zirkulieren von Wasser durch den Kühlungsstrom 26 auf,
welches durch einen Wärmeaustauscher 28 gekühlt und
durch eine Pumpe 30 unter Druck gesetzt wird. Die Pumpe 30 baut
einen festgelegten Kühlungswasserdruck
in dem Kühlungsstrom 26 auf.
Dieser Druck kann außerdem
durch ein variables Ventil 38 gesteuert werden, welches
sich im Kühlmittelstrom 26 direkt
vor der Wassertransportplatte 20 befindet. Wenn die Pumpe 30 eine
Pumpe mit festgelegter Förderrate ist,
wird das Ventil 38 zum Variieren des Kühlmitteldrucks nützlich sein,
im Fall dass Druckanpassungen nötig
sind. Ein stromabwärts
von der Pumpe 30 und dem Ventil 38 angebrachter
Druckwandler 44 dient zum Messen des Kühlungsmittelwasserstroms, bevor
er in die Wassertransportplatte 20 einströmt. Der Druckwandler 44,
das Ventil 38 und die Pumpe 30 können an
eine Stromerzeugungsanlagen-Mikroprozessorsteuereinrichtung 46 über die
Leitungen 52, 58 bzw. 60 angeschlossen werden.
Der Input des Kühlungsmittelstromdrucks
vom Druckwandler 44 löst aus,
dass die Steuereinrichtung die Pumpe 30 und/oder das Ventil 38,
falls erforderlich, steuert, um einen angestrebten Kühlungsmittelstromdruck
zu erreichen.
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Der Oxidationsmittelreaktanten-Gasstrom 24 kann
einen stromabwärtigen
Druckwandler 42 aufweisen, welcher den Druck des Oxidationsmittel-Gasstroms
misst, wenn er in die Kathodenträgerplatte 18 einströmt. Der
Druckwandler 42 ist über
die Leitung 50 mit der Systemsteuerung 46 verbunden.
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Der Brennstoffreaktantenstrom 22 wird üblicherweise
aus einem unter Druck stehenden Behälter gespeist, oder einem unter
Druck stehenden Brennstoffkonditionierungs- oder -reformierungssystem
(nicht gezeigt). Ein variables Ventil 34, welches mit der
Systemsteuerung 46 über
eine Leitung 54 verbunden ist, kann den Druck des Brennstoffreaktanten
steuern, wenn der in die Anodenträgerplatte 14 einströmt. Der
Brennstoffreaktantendruck wird durch einen Druckwandler 40 gemessen,
welcher über
eine Leitung 48 mit der Systemsteuerung 46 verbunden
ist. Es ist bevorzugt, die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage
bei nahezu Umgebungsdruck zu betreiben, weil das das Erfordernis aufhebt,
die Luft auf erhöhte
Drücke
zu verdichten, und eine Quelle von parasitärer Leistung eliminiert, wodurch
der Gesamtwirkungsgrad der Stromerzeugungsanlage verbessert wird.
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Entsprechend der Erfindung ist die
Pumpe oder das Gebläse 32,
die zum Unterdrucksetzen der Luft verwendet wird, variabel steuerbar
und ist mit der Steuereinrichtung 46 über eine Leitung 56 verbunden.
Die Steuereinrichtung 46 kann daher den Oxidationsmittelreaktantendruck
regeln, der benötigt
wird, um das in der Disposition festgelegte Stöchiometrie/Stromverhältnis zu
erreichen.
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Wenn eine Brennstoffzelle wie oben
beschrieben konfiguriert ist, hier durch ein ausgefülltes schwarzes
Dreiecksymbol dargestellt, ist die Zellenspannung sehr abhängig von
der Stromdichte wie auch von der Luftverwertung, was hier als "Stöchiometrie" bezeichnet wird,
wie in 2 dargestellt.
Die gleiche Leistung ist in einem anderen Verhältnis in 3 aufgetragen, um darzustellen, wie die
Zellenspannung mit der Stöchiometrie
für verschiedene
Belastungsströme
variiert. In 3 sind
drei willkürlich gewählte Dispositionen
gezeigt mit Steigungen von 2,5 pro A/cm2,
2,1 pro A/cm2 und 1,7 pro A/cm2.
Um die Spannung relativ konstant bei 0,66 V in einem Bereich von
600 mA/cm2 bis 1200 mA/cm2 zu
halten, müsste
die Stöchiometrie
von etwa 1,25 (bei 600 mA/cm2) bis etwa
3,33 (bei etwa 1200 mA/cm2) variieren, mit
einer Steigung der Stöchiometrie
von etwa 3,3 pro A/cm2. Das würde die
Verwendung einer niedrigen Stöchiometrie
(weniger als 1,5) für
Nenn- bzw. mittleren (Durchschnitts-)Leistungsbetrieb erfordern, was
zu einer reduzierten Effizienz führt.
Auch würden nicht
0,66 V für
Stromdichten über
900 mA/cm2 aufrecht erhalten werden. Das Konstanthalten
der Spannung bei 1500 mA/cm2 und darunter
würde die
Spannung auf ca. 0,61 V begrenzen, was die Ausgangsleistung der
Zelle signifikant verringert.
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In 4 sind
Stöchiometriedispositionen
in einem beispielhaften Bereich erfindungsgemäß unabhängig von der Stromdichte unterhalb
0,6 A/cm2, obwohl diese Zahl in jeder gegebenen
Anwendung der Erfindung variieren kann. Die durchgezogene Linie
unterhalb 0,6 A/cm2 ist eine Stöchiometrie
von 1,4 ± 0,3; über 0,6
A/cm2 ist sie 1,4 + 1,92 (i–0,6) ± 0,3. Die
unterbrochenen Linien zeigen einen Bereich von Steigungen zwischen
1,55 pro A/cm2 und 2,22 pro A/cm2. Daher hat die Erfindung eine Stöchiometriedisposition
von: A + B (i–C) ± Dwobei A von einem
Zellenstapel zum nächsten
variiert, aber im Bereich von 1,1 bis 1,7 sein kann; B gewählt wird,
um einem bestimmten Zellenstapel und seiner Verwendung zu entsprechen,
aber in einem Bereich von 1,55 pro A/cm2 bis
2,22 pro A/cm2 sein kann; i die Stromdichte
in A/cm2 ist; C im Bereich der Change-over-Stromdichte
ist, welche auch mit dem Zellenstapel und seiner Verwendung variiert,
aber etwa 0,6 A/cm2 sein kann; und D ein
Bereich von Stöchiometrien
ist, der gewählt
werden kann und im Beispiel von 4 als
0,3 Stöchiometrieeinheiten
dargestellt ist. Diese definieren den Bereich von Dispositionen
der Stöchiometrie
in Abhängigkeit
der Stromdichte gemäß der Erfindung.
Mit einer solchen Disposition bei niedriger Leistung (niedriger
Stromdichte) kann eine niedrige Stöchiometrie nicht nur verwendet
werden, um parasitäre
Leistung zu reduzieren, sondern auch, um die Wasserrückgewinnungsfähigkeit
zu erhöhen.
Aber dann, bei größerer Leistung
(größerer Stromdichte),
wird die Stöchiometrie
für einen
größeren Wirkungsgrad
des Prozesses und adäquate
Wasserentfernung erhöht.
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5 ist
ein Diagramm der Leistungsdichte in Abhängigkeit der Stromdichte für den konstanten Stöchiometriemodus
des Stands der Technik und den variablen Stöchiometriemodus der vorliegenden Erfindung.
Die maximale Stromdichte, die mit dem Verfahren des Betriebs mit
variabler Stöchiometrie erreicht
wird, ist in etwa 20% höher
als für
den Modus mit konstanter Stöchiometrie.
Eine Zellenstapelanordnung muss ausgelegt sein, um dem maximal geforderten
Leistungsniveau gerecht zu werden. Eine Zellenstapelanordnung, die
konstruiert ist, um in einem System mit variabler Stöchiometrie
betrieben zu werden, wird 20% kleiner als eine Zellenstapelanordnung
sein, die konstruiert ist, um in einem System mit konstanter Stöchiometrie
betrieben zu werden. Dies führt
zu einer Zellenstapelanordnung, die etwa 20% kleiner im Volumen
und leichter im Gewicht ist, was beides von kritischer Bedeutung
für Automobilanwendungen
ist, wo Volumen und Gewicht entscheidend sind. Das reduziert auch
die Kosten der Zellenstapelanordnung.
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Wasserselbstversorgungsfähigkeit
ist ein Konstruktionserfordernis für jede praktikable Brennstoffzelle.
Wasserselbstversorgungsfähigkeit
bedeutet, dass das Wasser, welches als Dampf in den Abgasströmen der
Stromerzeugungsanlagenreaktanten entfernt wird, weniger als oder
gleich dem durch die elektrochemischen Reaktionen innerhalb der Brennstoffzelle
produzierten Wasser ist. Es ist nicht praktikabel, Wasser von einer
externen Quelle zu ergänzen,
auf Grund der hohen Reinheitsanforderungen an dieses Wasser, um
einen Zerfall der Protonenaustauschmembran zu verhindern. 6 zeigt die maximal mögliche Systemabgastemperatur,
bzw. Taupunkt, welche nötig
ist, um Wasserselbstversorgungsfähigkeit
in Abhängigkeit
der Stöchiometrie
für eine
Wasserstoff-Luftbrennstoffzelle aufrechtzuerhalten, die im Wesentlichen
bei atmosphärischem
Druck betrieben wird. Die maximale Systemreaktanten-Abgastemperatur
ist typischerweise 5°C
höher als
die Kühlmittelausgangstemperatur
vom Kühler.
Der Ansatz der variablen Stöchiometrie
führt zu
Wasserselbstversorgungsfähigkeit
bei höheren
Systemabgastemperaturen, was zu höheren möglichen Kühlerausgangstemperaturen führt. Dies
ermöglicht
es, Betriebsbedingungen bei heißem
Wetter mit kleineren Kühlern
gerecht zu werden.
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7 ist
ein Diagramm der benötigten
Luftgebläseleistung
für eine
typische Stromerzeugungsanlage bei atmosphärischem Druck in Abhängigkeit der
Stromdichte, für
Stromdichten von unter 0,6 A/cm2, für den Fall
der konstanten Stöchiometrie
aus dem Stand der Technik und für
den Fall der variablen Stö chiometrie
im Fall der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der in 4 gezeigten Disposition. Unterhalb
ca. 0,6 A/cm2 ist die Gebläseleistung
ein Drittel weniger mit der variablen Stöchiometrie der Erfindung. 8 ist ein ähnliches
Diagramm der Stromdichten bis zu 1,6 A/cm2.
Der Ansatz der variablen Stöchiometrie
benötigt
höhere
parasitäre
Leistung bei Stromdichten über
ca. 0,8 A/cm2. Die meisten sich der Last
anpassenden Brennstoffzellen sind so konstruiert, dass die Mehrheit
der Betriebsstromdichte zwischen 0,4 und 0,8 A/cm2 ist,
wo die vorliegende Erfindung vorteilhaft ist. Weil Übergänge zu höherer Stromdichte
von kurzer Dauer sind, wie während
des Beschleunigens eines Automobils, ist die zusätzliche parasitäre Leistung
des Ansatzes der variablen Stöchiometrie
bei hohen Stromdichten akzeptierbar.
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In 1 umfasst
die Erfindung ein variables Gebläse 32,
welches mehr oder weniger Oxidationsmittel in das Oxidationsmittelströmungsfeld 24 pumpt in
Abhängigkeit
eines Steuersignals über
eine Leitung 56, welches von der Steuereinrichtung 46 in
Erwiderung auf ein Stromsignal (1) über eine Signalleitung 63 von
einem Strommesser 68 ausgeht, welcher auf dem Strom, der
durch die Zellenstapellast 71 geliefert wird, reagiert.
In 9 ist ein Teil 75 der
Steuereinrichtung 46 dargestellt als zur Erzeugung des Gebläsesteuersignals über die
Leitung 56 zugehörig, in
direkter Abhängigkeit
des Stromsignals über
die Leitung 63, was durch eine einfache Nachschlagtabelle
erreicht werden kann. Das Signal auf der Leitung 56 kann
entweder ein Impulsbreitenkontrollsignal oder ein Spannungs- oder
Spannung anzeigendes Signal sein, in Abhängigkeit davon, wie die Leistung
des Motors innerhalb des Gebläses 32 gesteuert
ist. Dies alles ist der Konvention entsprechend und ist für die Gesamterfindung
irrelevant.
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Zusammenfassung
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Eine Brennstoffzelle mit einer Polymerelektrolytmembran
(16) zwischen einem Anoden-Reaktantenströmungsfeld
(14) und einem Kathoden-Reaktantenströmungsfeld (18) weist
ein variables Gebläse
(32) auf, dessen Leistungssteuerungssignal (61)
durch eine Steuervorrichtung (75) ansprechend auf ein Stromsignal
(63), welches den von einem Stromsensor (68) erfassten
Belastungsstrom (71) angibt, zur Verfügung gestellt wird. Die Steuervorrichtung
spricht an auf eine Disposition der Gebläseleistung als Funktion der
Belastungsstromdichte, um eine Stöchiometrie, S, zu ergeben,
die bei einer Stöchiometrie
A fest ist, plus oder minus einem Bereich von Stöchiometrien, D, unterhalb einer
bestimmten Stromdichte, C, und die bei höhereren Stromdichten folgendermaßen variiert:
S = (A + B(i–C)] ± D, worin B
die Steigung der Stöchiometrie
als Funktion der Stromdichte und i die eigentliche Stromdichte ist.
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