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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle,
bei der das Abknicken der Strom-/Spannungskennlinie unter Last verhindert bzw.
abgeschwächt
werden soll.
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In
der Brennstoffzelle gibt es eine Reihe von schwerwiegenden und weniger
schwerwiegenden Ursachen für
die Spannungsverluste, welche das Abknicken der Strom/-Spannungskennlinie
bedingen (Z.16). Im Folgenden, wird nur der schwerwiegende Spannungsverlust
der Konzentrationsspannung, ΔUK, betrachtet, der wegen der zu langsamen
Nachführung
von Reaktionspartnern durch die Elektrolytmembran hervorgerufen
wird.
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Die
wichtigsten Funktionselemente einer Brennstoffzelle sind die Anode,
die Kathode sowie die Elektrolytmembran, oft auch als Elektrolytmatrix bezeichnet.
In der Brennstoffzelle wird über
die Brennkammer der Anode ein Brenngas und über die Brennkammer der Kathode
Sauerstoff bzw. Luft zugeführt
(Z.1). Für
die räumliche
Trennung der Elektroden, und somit für die kontrollierte Reaktion,
ist zudem die Elektrolytmembran zuständig. Diese sorgt dafür, dass
der Elektronenaustausch nicht direkt, sondern über einen Verbraucher stattfindet.
Des Weiteren muss die Elektrolytmembran aber auch die Wanderung
der Ionen zwischen den Elektroden ermöglichen. Je nach Bauart und
Typ der Brennstoffzelle, wandern positive Ionen von der Anode zur
Kathode bzw. negative Ionen von der Kathode zur Anode.
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Es
gibt verschiedene Arten von Elektrolytmembranen, welche sich durch
ihre Zusammensetzung und ihren Aufbau unterscheiden. Diese bestehen
im Allgemeinen, aus Polymeren oder auch aus anorganischen Systemen,
welche als Festkörper
im Nahbereich eine kristallähnliche
Struktur besitzen. In diesem Zusammenhang ist der Nahbereich im
physikalischen Sinne das Gebiet, welches die unmittelbaren atomaren
Nachbarn, 1. Ordnung, einschließt.
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Eines
haben alle diese Elektrolytmembranen gemeinsam, es müssen immer
Ionen hindurchdiffundieren, -wandern. Die Diffusion beschreibt dabei
den Materialtransport als Folge vieler atomarer Platzwechselvorgänge. Die
Platzwechsel verlaufen über die
Sprünge
von Leerstellen oder Zwischengitteratomen.
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Die
Ionen benötigen
eine bestimmte mindest Energie, Aktivierungsenergie, für die Wanderung, den
Sprung, in die nächste
Leerstelle (Z.2). Die Zeit die ein Ion an einer Stelle verbringt,
hängt dabei
sehr stark von der Eigenenergie und der Höhe der Potentialbarriere, entspricht
der benötigten
Aktivierungsenergie, ab. Je höher
die Eigenenergie oder je niedriger die Potentialbarriere ist, desto
schneller springt das Ion in die nächste Leerstelle.
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Um
die Verweildauer eines Ions an einer Gitterstelle zu verkürzen, die
Potentialbarriere schneller zu überwinden,
muss dementsprechend die Energie des Ions erhöht oder die Potentialbarriere
herabgesenkt werden.
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Warum
die Potentialbarriere schneller überwinden?
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Durch
die Verkürzung
der Verweildauer eines Ions an einer Gitterstelle würde die
Wanderung durch die Membran beschleunigt. Diese Beschleunigung wiederum
erhöht
die Nachführung
der Reaktionspartner für
die elektrochemische Reaktion.
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Der
entscheidende Grund für
das Abknicken der Strom-/Spannungskennlinie beruht auf der langsameren
Nachführung
der Reaktionspartner, als es für
die elektrochemische Reaktion von Nöten wäre. Das Durchwandern der Elektrolytmembran
durch die Ionen, ist zu langsam.
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Es
gibt nun zwei grundlegende Möglichkeiten
das Abknicken der Strom-/Spannungskennlinie zu verhindern. Zum einen
die Anzahl der Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstack so
zu erhöhen, dass
sie immer genügend
Strom liefern kann und die Spannung nicht zu stark abfällt oder
die Ionen werden derart angeregt, dass sie schneller durch die Elektrolytmembran
wandern.
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Bisher
geschah dies nur auf thermodynamischen Weg. Das Erwärmen der
Brennstoffzelle auf Betriebstemperatur versetzt die Struktur der
Elektrolytmembran in Schwingung, was die Wanderung der Ionen durch
die Membran ermöglicht.
In diesem Zusammenhang steht Wärme
für das
ungeordnete Schwingen der Teilchen in einem System. Mit erreichen
der Betriebstemperatur, stößt die Brennstoffzelle
jedoch an ihre Grenzen und es ist nicht möglich, diese Grenze durch bisher
bekannte Technologien zu überschreiten.
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An
diesen Punkt setzt meine Erfindung an, deren Aufgabe es ist, die
Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, welche sich durch
das Abknicken der Strom-/Spannungskennlinie manifestieren!
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Das
Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Elektrolytmembran und/oder die Ionen durch elektrische Felder
und/oder magnetische Felder und/oder mechanisch in Schwingung versetzt
werden. Dadurch erhöht
sich die potentielle Energie der Ionen und ermöglicht einen schnelleren Sprung
in die jeweils nächste
Leerstelle. Die Anregung der Gitterstruktur der Elektrolytmembran
durch Schwingungen bewirkt, das sich der Abstand zwischen den Gitterpunkten verringert,
wodurch die Potentialbarriere gesenkt wird, auch dies beschleunigt
den Platzwechselmechanismus. Das angeregte diffundierende Ion und auch
die herabgesetzte Potentialbarriere, ermöglichen eine schnellere Durchwanderung
der Membran.
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Die
Erzeugung der Schwingung der Membran auf elektrischem Weg, kann
z.B. über
einen Kondensator (Z.3), der ein entsprechendes elektrisches Feld
(Z.15) erzeugt, erfolgen. Das hierfür benötigte schwingende Feld kann
durch einen Schwingkreis generiert werden, dessen Bestandteil ein
Kondensator ist (Z.10).
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Die
Brennstoffzelle sollte für
diesen Zweck so konstruiert werden, dass das elektrische Feld optimal
wirken kann. Dafür
gibt es zwei grundlegende Optionen.
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Zum
Einen, die komplette Einkapselung der Brennstoffzellen durch einen
Kondensator (Z.4). Die Brennstoffzelle sollte dergestalt konstruiert
werden, dass das elektrische Feld die gesamten Brennstoffzellen
eines Stacks durchdringt. Dies kann durch die Anzahl der hintereinander
gebauten Brennstoffzellen beeinflusst werden. Dafür ordnet
man mehrere Stacks nebeneinander an. Zum anderen, können die einzelnen
Brennstoffzellen eines Stacks, jeweils zwischen einen Kondensator
gesetzt werden (Z.5). Dies ermöglicht,
so viele Brennstoffzellen hintereinander zu setzen, wie es die Situation
verlangt. Eine gegenseitige/wechselseitige Anordnung der Brennstoffzellen
(Z.11), würde
sich in dieser Lage besonders anbieten, da dies erhebliche Vorteile
in der Konstruktion mit sich bringt, dies ist aber nicht zwingend
notwendig. Die Kondensator-Brennstoffzellen-Anordnung
ist auch für
konventionell in eine Richtung ausgerichtete Brennstoffzellen möglich. Allerdings
werden dann Trennwände
benötigt
und die Anzahl der Brennkammern sowie die der Kondensatoren erhöhen sich
dadurch in erheblicher Zahl. Es bestünde jedoch die Möglichkeit,
die Kondensatoren derart zu konstruieren, dass sie als Trennwände fungieren.
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Des
Weiteren können
beide Optionen kombiniert werden, in dem immer eine bestimmte Anzahl von
Brennstoffzellen jeweils zwischen einen Kondensator platziert wird.
Dies wiederum ermöglicht
auch eine der Umgebung angepasste Bauweise.
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Die
Erzeugung der Schwingung der Membran auf magnetischem Weg, kann
dadurch erreicht werden, dass die Brennstoffzelle als Kern in einer Spule
angeordnet wird (Z.6). Dabei sollten die Brennstoffzellen so konstruiert
werden, dass der Einfluss des Magnetfeldes optimal genutzt werden
kann. Des Weiteren besteht die Möglichkeit,
die Brennstoffzellen zwischen zwei Kreisspulen anzuordnen (Z.7). Auch
hier wird eine Konstruktion vorausgesetzt, damit die Wirkung des
Magnetfeldes die gesamte Brennstoffzelle erfasst. Das hierfür benötigte schwingende
Feld kann durch einen Schwingkreis generiert werden, dessen Bestandteil
eine Spule ist (Z.10).
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Die
elektrischen und/oder magnetischen Felder, für die Anregung der Membran
und die Ionen, beeinflussen Bauart bedingt auch die Elektroden, sind
in ihrer Wirkung aber vernachlässigbar,
da sich zum einen die Schwingungen in Ihrer Gesamtheit, bei Schwingungen
um den Nullpunkt, aufheben, sowie die Elektroden aus Materialien
bestehen die für
diese Felder nicht so stark empfänglich
sind. So bestehen Anoden z.B. häufig
aus Platin/Ruthenium-Legierungen (mit Zusätzen von Zinn, Wolfram oder
Nickel) sowie Kathoden z.B. aus Platin.
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Weiterhin
müssen
die elektrischen und/oder magnetischen Felder nicht zwingend notwendig senkrecht
auf die Brennstoffzellen ausgerichtet sein, sondern können auch
in davon abweichenden Winkeln auf diese treffen.
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Die
Erzeugung der Schwingung für
die Membran auf mechanischem Weg, kann durch ein System geschehen,
in dem Schwingungen von außen
zugeführt
werden, z.B. durch den Einbau der Brennstoffzelle in einen Schwingkörper (Z.8),
der die Elektrolytmembran staucht und dehnt. Dies kann elektrodynamisch
sowohl mit einer Schwingspule als auch piezoelektrisch mit einem
schwingenden Kristall- oder Keramikkörper erreicht werden.
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Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, dass die Drücke
an der Kathode sowie der Anode immer entgegengesetzt geändert werden
und dabei die Elektrolytmembran hin und her schwingt (Z.9). Dies kann
durch wechselseitiges Öffnen
und Schließen der
Auslassventile von Anode und Kathode und/oder der Einlassventile
geschehen. Die Ventile können einzeln,
wie in Z.9 dargestellt, oder zentral, ein Ventil bedient mehrere
Brennstoffzellen, angeordnet werden. Dabei erhöht das gegenseitige Anordnen
der Brennstoffzellen in einem Stack (Z.11) die Effizienz der Druckschwankungen,
da durch ein kleineres Volumen eine größere Fläche anregt wird.
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Die
praktischen Auswirkungen der Anregung der Elektrolytmembran, beziehen
sich maßgeblich auf
den Bereich der hohen Stromdichten in der Brennstoffzelle (Z.16).
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Im
Zustand geringer Stromdichten treten Spannungsverluste hauptsächlich durch
die Durchtrittsspannung, ΔUD, auf. Bei weiterer Erhöhung der Stromdichten, in den
mittleren Bereich, kommt die Widerstandsspannung, ΔUR, hinzu. Mit den mittleren bis hohen Strömen wirkt
sich dann auch die Konzentrationsspannung, ΔUK,
durch die zu langsame Nachführung
der Reaktionspartner, auf die Brennstoffzelle aus.
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Des
Weiteren kann es im stromlosen Zustand und dem Bereich der geringen
Stromdichten zu einem Mischpotential an der Kathodenseite kommen, was
zu einer spürbaren
Absenkung des Potentials führt.
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Das
Ziel, meiner Erfindung ist es, den Spannungsverlust durch die Konzentrationsspannung, ΔUK, so gering wie möglich zu halten. Der alternative Weg
der geringen Stromdichte, kann nicht die Lösung sein, da dadurch die Maße der Brennstoffzelle unverhältnismäßig vergrößert werden
müssten.
Auch besteht dann weiterhin das Problem des Mischpotentials.
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Beim
allgemeinen Stand der Technik, überwiegen
die Vorteile des neuen Verfahrens gegenüber dem Aufwand, der für dieses
Verfahren erbracht werden muss.
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In
den folgenden Abschnitten, werden einige technische Merkmale aufgeführt, die
die Funktion der Schwingungsgeber unterstützen oder auch eine Brennstoffzelle
effizienter arbeiten lassen:
Entgegengesetzt angeordnete Brennstoffzellen
in einem Brennstoffzellenstack (Z.11) bieten die Möglichkeit,
den Platz besonders effizient zu nutzen, da die Hälfte der
Brennkammern wegfällt
und keine Trennwände
mehr gebraucht werden. Die Brennstoffzellen sind derart aufgebaut,
dass die Brennkammern beidseitig mit derselben Elektrode, entweder
Anode oder Kathode, bestückt
sind. Des Weiteren sind die Anoden und die Kathoden abwechselnd
angeordnet, wobei die Anoden und die Kathoden jeweils durch eine Elektrolytmembran
getrennt werden. Diese Bauweise erhöht bei gleichzeitiger Platz-
und Materialeinsparung, die Oberflächen an den Anoden und Kathoden.
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Es
gibt einige chemische Verbindungen sowie flüchtige Ionen auf der Anoden- und/oder der Kathodenseite,
durch Bauart und Typ der Brennstoffzelle bedingt, die durch die
Anregungsschwingungen oder sonstige Bedingungen die Elektrolytmembran und
die Elektroden passieren. Diese können durch die Verlängerung
der Elektroden über
die Auslassöffnungen
der Kammern (Z.12) neutralisiert werden. Dafür müssen die Elektroden so platziert
werden, dass sie auch den Auslass überdecken und an dieser Stelle
eine netzartige Struktur aufweisen, damit sie einen größeren Gasdurchfluss
gewährleisten
sowie die Möglichkeit
bieten, dass die chemischen Verbindungen und/oder die Ionen beim
Austritt aus der Brennstoffzelle mit den Elektroden in Kontakt kommen
und von diesen neutralisiert werden. So z. B. besteht bei der Direkt-Methanolbrennstoffzelle
das Problem, dass Methanol die Elektrolytmembran durchdringen kann
und auf die Kathodenseite und somit in die Umwelt gelangt. Durch
das Platin auf der Kathode könnte
das Methanol in unschädliches
Kohlendioxid oxidiert werden. Da Platin ein sehr teuerer Rohstoff ist,
besteht nun die Möglichkeit,
preiswertere Materialien für
die Kathode zu verwenden und nur für den Bereich des Auslasses
der Kathodengaskammer die Elektrode mit Platin zu besetzen. Unerwünschtes Methanol
wird beim passieren des Kathodengaskammer-Ausganges neutralisiert.
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Auftretende
Schwankungen oder Schwingungen der Spannung der Brennstoffzelle,
die durch die Schwingungsgeber und durch Lastwechsel verursacht
werden, können
durch entsprechende Schaltungen und/oder Kapazitäten geglättet werden (Z.13). Besonders
hilfreich ist dabei die Zwischenschaltung einer Kapazität, z.B.
in Form einer Batterie.
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Eine
Aktivierungseinheit für
den Schwingungsgeber kann durch einen Sensor direkt den Spannungsabfall
an den Anschlüssen
für die
Verbraucher messen oder auch die Aktivitäten der Verbraucher überwachen
und so den Schwingungsgeber im Bedarfsfall aktivieren. Die Energieversorgung für die Schwingungsgeber,
kann auf vielfältige
Weise realisiert werden, so besteht die Möglichkeit einer Versorgung
durch eine Batterie, die wiederum durch die Brennstoffzelle gespeist
werden kann, oder auch durch die Verschaltung als einer der direkten
Verbraucher (Z.14).
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Die
Vorteile dieser Erfindung sind sehr umfassend, so kann die Anzahl
der Brennstoffzellen in einem System verringert werden, was eine
Gewichts-, Platz- und Materialersparnis zur Folge hat. Die Anzahl
der Brennstoffzellen kann um den Betrag der schlafenden Kapazitäten verkleinert
werden, welche für
die Spitzenverbräuche
gedacht sind. Schlafende Kapazitäten
stehen für
die Kapazitäten,
welche unter Last gebraucht werden. Für diese Fälle wird der elektrische, magnetische
und/oder mechanische Schwingungsgeber aktiviert (Z.14), damit die
benötigten
Kapazitäten
zur Verfügung
stehen.
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Die
Gewichtsersparnis bringt nicht nur eine bessere Handlichkeit mit
sich, sondern bewirkt auch eine Energieeinsparung bei mobilen Brennstoffzellen,
da weniger Masse bewegt werden muss. Ein nicht zu unterschätzender
Beitrag zum Umweltschutz, da jedes Kilo mehr auch ein mehr an Energieverbrauch
bedeutet.
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Auch
die Platzersparnis wirkt sich besonders Vorteilhaft bei mobilen
Brennstoffzellen aus, da hierdurch der Raum besser ausgenutzt werden
kann und mehr Platz für
die Passagiere und die Ladung in Fahrzeugen zur Verfügung steht.
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Die
Materialersparnis nimmt für
die Kostenfrage einen besonders hohen Stellenwert ein, da die Brennstoffzellen
speziell mit ihren Bestandteilen an den Anoden und Kathoden, meistens
Edelmetalle wie reines Platin sowie Platin/Ruthenium-Legierungen,
sehr kostenintensiv sind.