DE10328856A1

DE10328856A1 - Steuerung und Diagnose von Abgasemissionen

Info

Publication number: DE10328856A1
Application number: DE10328856A
Authority: DE
Inventors: Christopher John Canton Mazur; Devesh Dearborn Upadhyay
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2002-09-04
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2023-06-27
Also published as: DE10328856B4; JP2004100700A; US7134273B2; US20040040289A1

Abstract

Ein Abgasreinigungssystem eines Dieselmotors verwendet einen stromauf gelegenen Oxidationskatalysator und einen stromab gelegenen SCR-Katalysator, um NO¶x¶ in einer Umgebung von magerem Abgas zu reduzieren. Der Motor und der stromauf gelegene Oxidationskatalysator sind so gestaltet, daß sie bei dem in den stromab gelegenen Katalysator eintretenden Gas ein Verhältnis von NO zu NO¶2¶ von ca. 1 : 1 liefern. Auf diese Weise ist der stromab gelegene Katalysator gegenüber Schwefelkontamination unempfindlich, und erreicht auch einen verbesserten Gesamt-NO¶x¶-Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators. Eine Qualitätsverschlechterung des Systems wird festgestellt, wenn das zugeführte Verhältnis nicht mher in der Nähe des gewünschten Verhältnisses von 1 : 1 liegt. Dieser Zustand wird unter Verwendung von Messungen von Motorbetriebsbedingungen, beispielsweise über einen stromab der Katalysatoren angeordneten NO¶x¶-Sensor, erfaßt. Schließlich findet eine Steuerungsmaßnahme statt, um die in das Abgas eingespritzte Menge des Reduktants auf der Grundlage des tatsächlichen Verhältnisses zwischen NO und NO¶2¶ stromauf von SCR-Katalysator und stromab vom Oxidationskatalysator anzupassen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, die in der Lage ist, die Durchflussraten von Reaktionsgasen und einem Kühlmittel zu steuern/regeln, und ein Verfahren zum Steuern/Regeln einer solchen Brennstoffzelle.

Allgemein enthalten Festpolymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen eine Elektrolytmembran, die eine Polymerlonenaustauschmembran aufweist. Im speziellen hat die Festpolymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle eine Einheitszelle (stromerzeugende Einheitszelle), die eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer Anode, einer Kathode und einer zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Elektrolytmembran aufweist. Die Anode und die Kathode haben jeweils eine Basis, die primär aus Kohlenstoff hergestellt ist, und eine mit der Basis verbundene Elektroden-Katalysatorschicht aus einem Edelmetall. Die Membranelektrodenanordnung ist zwischen Separatoren (bipolaren Platten), deren jeder eine Kühlmittelleitung enthält, vorgesehen. Für die Festpolymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle ist es typisch, dass eine Mehrzahl solcher Einheitszellen zu einer Zellenanordnung gestapelt sind.

In der Zellenanordnung wird ein Brennstoffgas, zum Beispiel ein wasserstoffhaltiges Gas, zur Anode geleitet. Der Katalysator der Anode löst eine chemische Reaktion des Brennstoffgases aus, um die Wasserstoffmoleküle in Was serstoff-Ionen (Protonen) und Elektronen zu spalten. Die Wasserstoff-Ionen wandern durch die Elektrolytmembran in Richtung auf die Kathode, und die Elektronen wandern durch einen externen Kreis zur Kathode, wodurch ein Gleichstrom erzeugt wird. Ein sauerstoffhaltiges Gas oder Luft werden zur Kathode geleitet. An der Kathode reagieren die Wasserstoff-Ionen von der Anode mit den Elektronen und Sauerstoff, wodurch Wasser gebildet wird.

Zur Verwendung in Fahrzeugen muss die Zellenanordnung einen hohen Ausgangspegel erzeugen können und gleichzeitig klein sein. Um diese Anforderung zu erfüllen, wurde eine Struktur vorgeschlagen, die eine Mehrzahl von relativ kompakten Einheitszellen aufweist, die zu einem Stapel verbunden sind.

Während ihres Betriebs ist die Zellenanordnung unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt, zum Beispiel unter einer hohen Last bei einer niedrigen Temperatur, unter einer hohen Last bei einer hohen Temperatur etc. Eine Einheitszelle in der Zellenanordnung, die als ein Einlass für Reaktionsgase (ein Brennstoffgas und ein sauerstoffhaltiges Gas) dient, und eine weitere Einheitszelle in der Zellenanordnung, die als ein Auslass für Reaktionsgase dient, versagen gelegentlich bei der Optimierung für solch unterschiedliche Betriebsbedingungen der Zellenanordnung. Insbesondere ist es wahrscheinlich, dass sich entlang des Stapels von Einheitszellen eine Temperaturverteilung entwickelt und dass die relativen Feuchtigkeiten in dem Brennstoffgas und dem sauerstoffhaltigen Gas dazu neigen zu variieren. Wenn die Elektrolytmembran wegen eines Temperaturanstiegs aufgrund einer solchen Temperaturverteilung und Variation der relativen Feuchtigkeiten trocken wird, werden die Wasserstoff-Ionen in der Elektrolytmembran an einer Bewegung gehindert und sorgen daher für einen Widerstand, der das Stromerzeugungsvermögen der Zellenanordnung herabsetzt. Wenn die relative Feuchtigkeit in dem sauerstoffhaltigen Gas ansteigt, erzeugt die Kathode bedingt durch die relative Feuchtigkeit und Wasser, das bei der elektrochemischen Reaktion gebildet wird, überschüssiges Wasser, wo durch eine Wasserkondensation und eine Wasseranstauung in der Gasleitung verursacht werden, die den Durchfluss des sauerstoffhaltigen Gases behindert. In der Folge wird die Kathode weniger reaktionsfähig, wodurch auch das Stromerzeugungsvermögen der Zellenanordnung herabgesetzt wird.

Es ist eine Hauptaufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, eine Durchflussmenge von Reaktionsgasen und eine Durchflussmenge eines Kühlmittels zu steuern/regeln, um dadurch den Betrieb einer Zellenanordnung abhängig von Bedingungen, die eine Last, eine Temperatur etc. einschließen, zu optimieren, und ein Verfahren zum Steuern/Regeln einer solchen Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen.

Eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung hat Zellenanordnungen, deren jede eine Mehrzahl von Einheitszellen umfasst. Die Zellenanordnungen haben Reaktionsgasleitungen und Kühlmittelleitungen, die darin zumindest teilweise definiert sind und zwischen den Einheitszellen miteinander in Reihe geschattet sind. Eine Brennstoffgas-Auslass-/Einlassleitung zum Hindurchleiten eines Brennstoffgases erstreckt sich zwischen den Einheitszellen und steht mit Brennstoffgasleitungen der Reaktionsgasleitungen in Verbindung, und ein Brennstoffgas-Einstellmechanismus ist mit der Brennstoffgas-Auslass-/ Einlassleitung verbunden. Der Brennstoffgas-Einstellmechanismus steuert/regelt die Durchflussrate und -richtung des Brennstoffgases zwischen den Einheitszellen, um Schwankungen der Temperatur und relativen Feuchtigkeit des Brennstoffgases in jeder der Einheitszellen zu unterdrücken. Dadurch wird verhindert, dass die Reaktionsgasleitungen eine Wasserkondensation und eine Wasseranstauung aufgrund einer Trocknung von oder Überschusswasser in Elektrolytmembranen in den Einheitszellen entwickeln. Als Ergebnis wird eine elektrochemische Reaktion in jeder Einheitszelle stabilisiert und beschleunigt, für eine erhöhte Produktivität der Brennstoffzelle bei der Erzeugung von elektrischem Strom.

Die Brennstoffzelle hat auch eine Auslass-/Einlassleitung für sauerstoffhaltiges Gas zum Hindurchleiten von sauerstoffhaltigem Gas, die sich zwischen den Einheitszellen erstreckt und mit Leitungen für sauerstoffhaltiges Gas der Reaktionsgaskanäle in Verbindung steht, und ein Einstellmechanismus für sauerstoffhaltiges Gas ist mit der Auslass-/Einlassleitung für sauerstoffhaltiges Gas verbunden. Der Einstellmechanismus für sauerstoffhaltiges Gas steuert/regelt die Durchflussrate und -richtung des sauerstoffhaltigen Gases. Da das Steuern/Regeln der Durchflussrate und -richtung des sauerstoffhaltigen Gases auch zur Unterdrückung von Schwankungen der Temperatur und relativen Feuchtigkeit des sauerstoffhaltigen Gases in jeder der Einheitszellen wirksam ist, werden die Reaktionsgasleitungen an einer Entwicklung von Wasserkondensation und Wasseranstauung bedingt durch eine Trocknung von oder überschüssiges Wasser in Elektrolytmembranen gehindert. Folglich wird eine elektrochemische Reaktion in jeder Einheitszelle stabilisiert und beschleunigt, für eine erhöhte Produktivität der Brennstoffzelle bei der Erzeugung von elektrischem Strom.

Die Brennstoffzelle enthält ferner eine Kühlmittel-Auslass-/Einlassleitung, die sich zwischen den Einheitszellen erstreckt und mit den Kühlmittelleitungen in Verbindung steht. Ein Kühlmittel-Einstellmechanismus ist mit der Kühlmittel-Auslass-/Einlassleitung verbunden, zum Steuern/Regeln der Durchflussrate und -richtung des Kühlmittels, um die Temperatur in der Richtung des Stapels der Einheitszellen zu vereinheitlichen und dadurch die Reaktionsgasleitungen an der Entwicklung einer Wasserkondensation und Wasseranstauung bedingt durch eine Trocknung von oder überschüssiges Wasser in Elektrolytmembranen zu hindern. Das Ergebnis ist, dass eine elektrochemische Reaktion in jeder Einheitszelle stabilisiert und beschleunigt wird, für eine erhöhte Produktivität der Brennstoffzelle bei der Erzeugung von elektrischem Strom.

In der Brennstoffzelle sind zumindest zwei Einheitszellen der Zellenanordnungen nebeneinander angeordnet. Da zumindest einige der Einheitszellen nebeneinander angeordnet sind, sind nachteilige Wirkungen, die die Temperaturen und relativen Feuchtigkeiten der Zellenanordnungen aufeinander haben, viel geringer als bei Einheitszellen, die zu einem Stapel zusammengeschlossen sind. Deshalb werden die elektrochemischen Reaktionen in den Einheitszellen mehr stabilisiert und beschleunigt, für eine noch weitere Erhöhung der Produktivität der Brennstoffzelle bei der Erzeugung von elektrischem Strom.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, zum Steuern/Regeln einer Brennstoffzelle mit Brennstoffzellen-Anordnungen, deren jede eine Mehrzahl von Einheitszellen umfasst, wobei die Zellenanordnungen Reaktionsgasleitungen und Kühlmittelleitungen aufweisen, die zumindest teilweise darin definiert sind und die zwischen den Einheitszellen miteinander in Reihe geschaltet sind. Ein die Brennstoffgasleitungen der Reaktionsgasleitungen durchströmendes Brennstoffgas wird durch einen Brennstoffgas-Einstellmechanismus eingestellt, um dadurch die Temperatur und relative Feuchtigkeit des Brennstoffgases in jeder der Einheitszellen einzustellen. Die Reaktionsgasleitungen werden dadurch an einer Entwicklung von Wasserkondensation und Wasseranstauung bedingt durch eine Trocknung von oder überschüssiges Wasser in Elektrolytmembranen in den Einheitszellen gehindert. Als Ergebnis wird eine elektrochemische Reaktion in jeder Einheitszelle stabilisiert und beschleunigt, für eine erhöhte Produktivität der Brennstoffzelle bei der Erzeugung von elektrischem Strom.

Bei dem Verfahren wird ein die Leitungen für sauerstoffhaltiges Gas der Reaktionsgasleitungen durchströmendes sauerstoffhaltiges Gas durch einen Einstellmechanismus für sauerstoffhaltiges Gas eingestellt, um dadurch die Tempera tur und relative Feuchtigkeit der Zellenanordnungen einzustellen. Das Steuern/Regeln des sauerstoffhaltigen Gases ist auch wirksam für die Einstellung der Temperatur und relativen Feuchtigkeit des sauerstoffhaltigen Gases in den Einheitszellen, um dadurch die Reaktionsgasleitungen an einer Entwicklung von Wasserkondensation und Wasseranstauung bedingt durch eine Trocknung von oder überschüssiges Wasser in Elektrolytmembranen in den Einheitszellen zu hindern. Folglich wird eine elektrochemische Reaktion in jeder Einheitszelle stabilisiert und beschleunigt, für eine erhöhte Produktivität der Brennstoffzelle bei der Erzeugung von elektrischem Strom.

Bei dem Verfahren wird ein Kühlmittel, das einer sich zwischen den Einheitszellen erstreckenden und mit dem Kühlmittelleitungen in Verbindung stehenden Kühlmittel-Auslass-/Einlassleitung zugeführt bzw. aus dieser abgeführt wird, durch einen Kühlmittel-Einstellmechanismus eingestellt, um dadurch die Temperaturen und relativen Feuchtigkeiten der Zellenanordnungen einzustellen. Deshalb werden die Temperaturen in der Stapelrichtung in den Einheitszellen gesteuert/geregelt, um die Reaktionsgasleitungen an einer Entwicklung von Wasserkondensation und Wasseranstauung bedingt durch eine Trocknung von oder überschüssiges Wasser in den Elektrolytmembranen zu hindern. Infolgedessen wird eine elektrochemische Reaktion in jeder Einheitszelle stabilisiert und beschleunigt, für eine erhöhte Produktivität der Brennstoffzelle bei der Erzeugung von elektrischem Strom.

Bei dem Verfahren werden die Reaktionsgase und das Kühlmittel gesteuert/geregelt, um die Einheitszellen zu betreiben, in die das Kühlmittel zur Zeit des Startens der Zellenanordnungen anfänglich eingeleitet wird. Deshalb kannbei an einem Fahrzeug oder dergleichen installierter Brennstoffzelle, die Brennstoffzelle, rasch aufgewärmt werden, und ein Abwürgen des Fahrzeugs aufgrund eines Spannungsabfalls in der Zellenanordnung bei einer relativ hohen Temperatur wird verhindert, wenn das Fahrzeug unmittelbar nach dem Starten fährt.

Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand eines Beispiel dargestellt ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

2 ist ein schematisches Diagramm eines Fluidkreises eines Brennstoffgas-Einstellmechanismus der Brennstoffzelle, der eingestellt ist, um die Brennstoffzelle unter mittleren und hohen Lasten zu betreiben;

3 ist ein schematisches Diagramm eines Fluidkreises eines Einstellmechanismus für sauerstoffhaltiges Gas der Brennstoffzelle, der eingestellt ist, um die Brennstoffzelle unter mittleren und hohen Lasten zu betreiben;

4 ist ein schematisches Diagramm eines Fluidkreises des Brennstoffgas-Einstellmechanismus der Brennstoffzelle, der eingestellt ist, um die Brennstoffzelle unter einer niedrigen Last zu betreiben;

5 ist ein schematisches Diagramm eines Fluidkreises des Einstellmechanismus für sauerstoffhaltiges Gas der Brennstoffzelle, der eingestellt ist, um die Brennstoffzelle unter einer niedrigen Last zu betreiben;

6 ist ein schematisches Diagramm eines Fluidkreises des Brennstoffgas-Einstellmechanismus der Brennstoffzelle, der für einen Warmlaufbetrieb der Brennstoffzelle zur Zeit eines Starts eingestellt ist;

7 ist ein schematisches Diagramm eines Fluidkreises des Einstellmechanismus für sauerstoffhaltiges Gas der Brennstoffzelle, der für einen Warmlaufbetrieb zur Zeit eines Starts eingestellt ist; und

8 ist ein schematisches Diagramm eines Fluidkreises eines Kühlmittel-Einstellmechanismus der Brennstoffzelle.

1 zeigt in einem schematischen Querschnitt eine Brennstoffzelle 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst die Brennstoffzelle 10 eine erste Zellenanordnung 12 und eine zweite Zellenanordnung 14. Die erste Zellenanordnung 12 dient als eine hinsichtlich der durch den Pfeil A angegebenen Richtung, in der ein sauerstoffhaltiges Gas (ein Reaktionsgas) und ein Kühlmittel strömen, stromaufwärtige Zellenanordnung, und die zweite Zellenanordnung 14 dient als eine hinsichtlich der Richtung, in der das sauerstoffhaltige Gas und das Kühlmittel strömen, stromabwärtige Zellenanordnung.
Die erste Zellenanordnung 12 und die zweite Zellenanordnung 14 haben eine erste bzw. zweite Membranelektrodenanordnung 18, 20. Die erste und die zweite Membranelektrodenanordnung 18, 20 haben jeweilige Festpolymerelektrolyt-Membranen 22a, 22b und jeweilige Anoden 24a, 24b und jeweilige Kathoden 26a, 26b, zwischen denen die Festpolymerelektrolyt-Membranen 22a, 22b aufgenommen sind. Die Festpolymerelektrolyt-Membran 22a umfasst eine Niedrigtemperatur-Elektrolytmembran (zum Beispiel eine HC (Kohlenwasserstoff)-Membran), und die Festpolymerelektrolyt-Membran 22b umfasst eine Hochtemperatur-Elektrolytmembran (z.B. eine Perfluorsulfonsäure-Membran). Die Festpolymerelektrolyt-Membran 22a hat ein Stromerzeugungsvermögen, das äquivalent zu dem Stromerzeugungsvermögen der Festpolymerelektrolyt-Membran 22b ist, bei einer Temperatur, die niedriger als die der Festpolymerelektrolyt-Membran 22b ist.
Jede der Anoden 24a, 24b und der Kathoden 26a, 26b umfasst eine Basis, die primär aus Kohlenstoff hergestellt ist, und eine Elektroden-Katalysatorschicht aus einem Edelmetall, die mit der Basis verbunden ist. Jede der Anoden 24a, 24b und der Kathoden 26a, 26b hat an ihrer Oberfläche ein poröses Kohlepapier oder dergleichen, das als eine poröse Schicht dient.
In der ersten Membranelektroden-Anordnung 18 weist die Kathode 24a in der durch den Pfeil C1 angegebenen Richtung nach oben, und die Anode 26a weist in der durch den Pfeil C2 angegebenen Richtung nach unten. In der zweiten Membranelektrodenanordnung 20 weist die Anode 26b in der durch Pfeil C1 angegebenen Richtung nach oben, und die Kathode 24b weist in der durch den Pfeil C2 angegebenen Richtung nach unten.
Erste Separatoren 28a, 28b sind jeweils an den Kathoden 24a, 24b der ersten und der zweiten Membranelektrodenanordnung 18, 20 vorgesehen. Zweite Separatoren 30a, 30b sind jeweils an den Anoden 26a, 26b der ersten und der zweiten Membranelektrodenanordnung 18, 20 vorgesehen.
Die erste Zellenanordnung 12 hat eine zwischen dem ersten Separator 28a und der Kathode 24a der ersten Membranelektrodenanordnung 18 definierte und sich in der durch den Pfeil A angegebenen Richtung erstreckende erste Leitung 38 für sauerstoffhaltiges Gas. Die erste Leitung 38 für sauerstoffhaltiges Gas steht mit einer Verbindungsleitung für sauerstoffhaltiges Gas (Auslass-/ Einlassleitung für sauerstoffhaltiges Gas) 40 in Verbindung und ebenfalls mit einer zweiten Leitung 42 für sauerstoffhaltiges Gas, die zwischen der Kathode 24b und dem ersten Separator 28b der zweiten Membranelektrodenanordnung 20 der zweiten Zellenanordnung 14 definiert ist.
Die erste Leitung 38 für sauerstoffhaltiges Gas, die Verbindungsleitung 40 für sauerstoffhaltiges Gas und die zweite Leitung 42 für sauerstoffhaltiges Gas sind über eine Abführöffnung 62b für sauerstoffhaltiges Gas und eine Zuführöffnung 62a für sauerstoffhaltiges Gas durch die erste Zellenanordnung 12 und die zweite Zellenanordnung 14 in Reihe geschaltet. Die Verbindungsleitung 40 für sauerstoffhaltiges Gas ist mit einem später zu beschreibenden Einstellmechanismus für sauerstoffhaltiges Gas (Reaktionsgas-Einstellmechanismus) 78 (siehe 3) zum Steuern/Regeln der Temperatur, relativen Feuchtigkeit und Durchflussrate des sauerstoffhaltigen Gases verbunden.
Der Einstellmechanismus 78 für sauerstoffhaltiges Gas ist über die Zuführöffnung 62a für sauerstoffhaltiges Gas und die Abführöffnung 62b für sauerstoffhaltiges Gas durch eine Zirkulationsleitung 32 für sauerstoffhaltiges Gas mit der ersten Zellenanordnung 12 und der zweiten Zellenanordnung 14 verbunden.
Die zweite Zellenanordnung 14 hat eine erste Brennstoffgasleitung 44, die zwischen der Anode 26b und dem zweiten Separator 30b der zweiten Membranelektrodenanordnung 20 vorgesehen ist und sich in der durch den Pfeil B angegebenen Richtung erstreckt. Die erste Brennstoffgasleitung 44 steht mit einer Brennstoffgas-Verbindungsleitung (Brennstoffgas-Auslass-/Einlassleitung) 46 in Verbindung und ebenso mit einer zweiten Brennstoffgasleitung 48, die zwischen der Anode 26a und dem zweiten Separator 30a der ersten Membranelektrodenanordnung 18 der ersten Zellenanordnung 12 definiert ist.
Die erste und zweite Brennstoffgasleitung 44, 48 und die erste und zweite Leitung 38, 42 für sauerstoffhaltiges Gas sorgen für jeweilige Gegenströmungen entlang der einander gegenüberliegenden Oberflächen der ersten und zweiten Membranelektrodenanordnung 18, 20. Die erste Brennstoffgasleitung 44, die Brennstoffgas-Verbindungsleitung 46 und die zweite Brennstoffgasleitung 48 sind über eine Brennstoffgas-Abführöffnung 60b und eine Brennstoffgas-Zuführöffnung 60a durch die erste Zellenanordnung 12 und die zweite Zellenanordnung 14 in Reihe geschaltet. Die Brennstoffgas-Verbindungsleitung 46 ist mit einem später zu beschreibenden Brennstoffgas-Einstellmechanismus (Reaktionsgas-Einstellmechanismus) 76 (siehe 2) zum Steuern/Regeln der Temperatur, relativen Luftfeuchtigkeit und Durchflussrate eines Brennstoffgases (eines Reaktionsgases) verbunden.
Der Brennstoffgas-Einstellmechanismus 76 ist über die Brennstoffgas-Zuführöffnung 60a und die Brennstoffgas-Abführöffnung 60b durch eine Brennstoffgas-Zirkulationsleitung 34 mit der ersten Zellenanordnung 12 und der zweiten Zellenanordnung 14 verbunden.
Der zweite Separator 30a der ersten Zellenanordnung 12 hat eine erste Kühlmittelleitung 50 in einem Gegenströmungsverhältnis zu der zweiten Brennstoffgasleitung 48. Die erste Kühlmittelleitung 50 steht mit einer Kühlmittel-Verbindungsleitung (Kühlmittel-Auslass-/Einlassleitung) 52 in Verbindung und ebenso mit einer zweiten Kühlmittelleitung 54 in einem Parallelströmungsverhältnis zu der zweiten Leitung 42 für sauerstoffhaltiges Gas des ersten Separators 28b.
Die erste Kühlmittelleitung 50, die Kühlmittel-Verbindungsleitung 52 und die zweite Kühlmittelleitung 54 sind über eine Kühlmittel-Abführöftnung 64b und eine Kühlmittel-Zuführöffnung 64a durch die erste Zellenanordnung 12 und die zweite Zellenanordnung 14 in Reihe geschaltet. Die Kühlmittel-Verbindungsleitung 52 ist mit einem später zu beschreibenden Kühlmittel-Einstellmechanismus 80 (siehe 8) zum Steuern/Regeln der Temperatur und Durchflussrate des Kühlmittels verbunden. Der Kühlmittel-Einstellmechanismus 80 ist über die Kühlmittelgas-Zuführöffnung 64a und die Kühlmittel-Abführöffnung 64b durch eine Kühlmittelgas-Zirkulationsleitung 36 mit der ersten Zellenanordnung 12 und der zweiten Zellenanordnung 14 verbunden.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die erste Zellenanordnung 12 und die zweite Zellenanordnung 14 als die erste Membranelektrodenanordnung 18 und die zweite Membranelektrodenanordnung 20 jeweils in sich enthaltend beschrieben. Tatsächlich aber bilden die erste Membranelektrodenanordnung und die zweite Membranelektrodenanordnung 18, 20 abhängig von einer Ausgangsspannung, die die Brennstoffzelle 10 erzeugen muss, eine die Leitungen 38, 48, 50 und 42, 44, 54 und die Separatoren 28a, 30a und 28b, 30b enthaltende Einheitszelle, deren mehrere zu Zellenanordnungen 12, 14, die als Brennstoffzelle 10 verwendet werden, gestapelt sind.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die erste Zellenanordnung 12 und die zweite Zellenanordnung 14 als im wesentlichen in der horizontalen Richtung nebeneinander angeordnet dargestellt. Jedoch sind die erste Zellenanordnung 12 und die zweite Zellenanordnung 14 nicht auf eine solche Anordnung beschränkt, sondern können auch in der senkrechten Richtung zu einem Stapel zusammengeschlossen sein.
Die Zirkulationsleitungen 32, 34, 36 und die Verbindungsleitungen 40, 46, 52 weden durch einen Rohrleitungsmechanismus zur Verfügung gestellt, der allgemeine Röhren oder Rohre aufweist. Es kann sein, dass die Brennstoffzelle 10 keinen Rohrleitungsmechanismus, sondern die erste Zellenanordnung 12 und die zweite Zellenanordnung 14 aufweist, die als Alternative zu einem Rohrleitungsmechanismus durch darin definierte Leitungen miteinander verbunden sind.
Der Brennstoffgas-Einstellmechanismus 76, der Einstellmechanismus 78 für sauerstoffhaltiges Gas und der Kühlmittel-Einstellmechanismus 80 der Brennstoffzelle 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden nachstehend beschrieben.
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst der Brennstoffgas-Einstellmechanismus 76 eine Brennstoffgas-Zirkulationsleitung 34, die mit der Brennstoffgas-Abführöffnung 60b der ersten Zellenanordnung 12 und der Brennstoffgas-Zuführöffnung 60a der zweiten Zellenanordnung 14 verbunden ist, eine Brennstoffgaspumpe 90 zum Zirkulieren des Brennstoffgases durch die Brennstoffgas-Zirkulationsleitung 34, einen Brennstofftank 92 zum Lagern des Brennstoffgases, welches ein wasserstoffhaltiges Gas oder dergleichen sein kann, einen Separator 94 zum Trennen von Wasserstoff, Wasser und sauerstoffhaltiger Luft in dem Brennstoffgas und einen ersten Befeuchter 100 zum Befeuchten des Brennstoffgases.
Der Brennstoffgas-Einstellmechanismus 76 weist auch eine Strudelpumpe 102 auf zum Zuführen des Brennstoffgases aus dem Brennstofftank 92 unter einem Unterdruck abhängig von der Durchflussrate des die Brennstoffgas-Zirkulationsleitung 34 durchströmenden Brennstoffgases, richtungsabhängige Steuer-/ Regelventile 104, 106, 108, wie beispielsweise magnetbetätigte Ventile oder dergleichen, zum Wählen der Durchgänge in der Brennstoffgas-Zirkulationsleitung 34 und ein Entleerventil 110 zum Ableiten von in dem Brennstoffgas enthaltenem Wasser und Luft aus dem Brennstoffgas-Einstellmechanismus 76. Der Brennstoffgas-Einstellmechanismus 76 umfasst ferner einen Durchflussmesser, Erfassungsmechanismen für die Erfassung einer Temperatur, einer Feuchtigkeit und eines Drucks und einen Regler zum Einstellen des Drucks eines Brennstoffgasflusses (alle nicht dargestellt). Die Strahlpumpe 102 kann zum Beispiel durch einen Regler und eine Bypassleitung desselben ersetzt werden, wenn das Brennstoffgas durch die Brennstoffgaspumpe 90 ausreichend zirkuliert wird.
Wie 3 zeigt, umfasst der Einstellmechanismus 78 für sauerstoffhaltiges Gas eine Zirkulationsleitung 32 für sauerstoffhaltiges Gas, die mit der Zuführöffnung 62a für sauerstoffhaltiges Gas der ersten Zellenanordnung 12 und der Abführöffnung 62b für sauerstoffhaltiges der zweiten Zellenanordnung 14 verbunden ist, einen Luftkompressor (A/C) 112 zum Erzeugen von Druckluft und einen Vorverdichter (S/C) 114, mit dem ein Motor (nicht gezeigt) gekoppelt ist.
Der Einstellmechanismus 78 für sauerstoffhaltiges Gas hat auch einen zweiten Befeuchter 116 (der auch als der in 2 gezeigte erste Befeuchter 100 verwendet werden kann) zum Befeuchten des Brennstoffgases mit dem Wasser, das durch eine Membran oder dergleichen aus dem sauerstoffhaltigen Gas absorbiert wurde, einen dritten Befeuchter 118 zum Befeuchten des sauerstoffhaltigen Gases in einer stromaufwärtigen Region mit dem Wasser, das durch eine Membran oder dergleichen aus dem sauerstoffhaltigen Gas absorbiert wurde, einen Regler 119 zum Einstellen des Drucks eines Durchflusses von sauerstoffhaltigem Gas und richtungsabhängige Steuer-/Regelventile wie beispielsweise magnetbetätigte Ventile oder dergleichen zum Wählen der Durchgänge in der Zirkulationsleitung 32 für sauerstoffhaltiges Gas. Die Zirkulationsleitung 32 für sauerstoffhaltiges Gas enthält ferner einen Durchflussmesser, Erfassungsmechanismen für die Erfassung einer Temperatur, einer Feuchtigkeit und eines Drucks etc. (alle nicht dargestellt).
Wie 8 zeigt, umfasst der Kühlmitteleinstellmechanismus 80 eine schleifenförmig ausgebildete Kühlmittel-Zirkulationsleitung 36, die mit der Kühlmittel-Zuführöffnung 64a der ersten Zellenanordnung 12 und der Kühlmittel-Abführöffnung 64b der zweiten Zellenanordnung 14 verbunden ist, eine Pumpe 126 zum Zirkulieren des Kühlmittels durch die Kühlmittel-Zirkulationsleitung 36, einen mit dem Auslass der Pumpe 126 verbundenen Kühler 128 und Thermoventile 130, 132, 134, deren jedes eine richtungsabhängige Steuerungs-/Regelungsfunktion oder eine Durchflussraten- Einstellfunktion und eine Temperaturerfassungsfunktion hat. Die Kühlmittel-Zirkulationsleitung 36 enthält ferner einen Durchflussmesser, Erfassungsmechanismen für die Erfassung einer Temperatur, einer Feuchtigkeit und eines Drucks etc. (alle nicht gezeigt).
Die Brennstoffzelle 10 ist mit einer Steuer-/Regeleinheit (nicht gezeigt) kombiniert, zum Steuern/Regeln der Brennstoffzelle 10, die den Brennstoffgas-Einstellmechanismus 76, den Einstellmechanismus 78 für sauerstoffhaltiges Gas und den Kühlmittel-Einstellmechanismus 80 enthält.
Die Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist grundsätzlich wie vorstehend beschrieben konstruiert. Die Betriebsweise und Vorteile der Brennstoffzelle 10 werden nachstehend hinsichtlich eines Verfahrens zum Steuern/Regeln von Reaktionsgasdurchflüssen und eines Verfahrens zum Steuern/Regeln einer Kühlmitteltemperatur beschrieben.
Die allgemeine Betriebsweise der Brennstoffzelle 10 wird nachstehend zunächst mit Bezug auf 1 erläutert.
Die erste Zellenanordnung 12 wird über die Zuführöffnung 62a für sauerstoffhaltiges Gas von einem Ende der Zirkulationsleitung 32 für sauerstoffhaltiges Gas mit sauerstoffhaltigem Gas oder Luft versorgt, und die zweite Zellenanordnung 14 wird über die Brennstoffgas-Zuführöffnung 60a von einem Ende der Brennstoffgas-Zirkulationsleitung 34 mit dem Brennstoffgas versorgt, welches ein wasserstoffhaltiges Gas oder dergleichen sein kann. Der ersten Zellenanordnung 12 wird über die Kühlmittel-Zuführöffnung 64a von einem Ende der Kühlmittel-Zirkulationsleitung 36 auch das Kühlmittel zugeleitet, welches Ethylen, Glykol oder Öl sein kann.
Der Sauerstoff des in die erste Zellenanordnung 12 geleiteten sauerstoffhaltigen Gases wird verbraucht, um durch eine elektrochemische Reaktion mit dem Brennstoffgas Strom zu erzeugen. Das sauerstoffhaltige Gas, dessen Sauerstoff zum Teil in der ersten Zellenanordnung 12 verbraucht wurde, wird durch die Abführöffnung 62b für sauerstoffhaltiges Gas abgeführt und dann durch die Verbindungsleitung 40 für sauerstoffhaltiges Gas zu der Zuführöffnung 62a für sauerstoffhaltiges Gas der zweiten Zellenanordnung 14 geleitet. Der Sauerstoff des in die zweite Zellenanordnung 14 geleiteten sauerstoffhaltigen Gases wird verbraucht, um durch eine elektrochemische Reaktion mit dem Brennstoffgas Strom zu erzeugen, und wird danach durch die Abführöffnung 62b für sauerstoffhaltiges Gas in das andere Ende der Zirkulationsleitung 32 für sauerstoffhaltiges Gas abgeführt.
Der Brennstoff (Wasserstoff) des in die zweite Zellenanordnung 14 geleiteten Brennstoffgases wird verbraucht, um durch die elektrochemische Reaktion mit dem sauerstoffhaltigen Gas Strom zu erzeugen. Das Brennstoffgas, dessen Brennstoff (Wasserstoff) in der zweiten Zellenanordnung 14 zum Teil verbraucht wurde, wird von der Brennstoffgas-Abführöffnung 60b abgeführt und dann durch die Brennstoffgas-Verbindungsleitung 46 zur Brennstoffgas-Zuführöffnung 60a der ersten Zellenanordnung 12 geleitet. Der Brennstoff (Wasserstoff) des in die erste Zellenanordnung 12 geleiteten Brennstoffgases wird verbraucht, um durch die elektrochemische Reaktion mit dem sauerstoffhaltigen Gas Strom zu erzeugen, und wird danach von der Brennstoffgas-Abführöffnung 60b in das andere Ende der Brennstoffgas-Zirkulationsleitung 34 abgeführt.
Das in die erste Zellenanordnung 12 geleitete Kühlmittel wird verbraucht, um die erste Zellenanordnung 12 zu kühlen, und wird dann von der Kühlmittel-Abführöffnung 64b abgeführt. Das von der Kühlmittel-Abführöffnung 64b abgeführte Kühlmittel wird durch die Kühlmittel-Verbindungsleitung 52 zur Kühlmittel-Zuführöffnung 64a der zweiten Zellenanordnung 14 geleitet. Das der zweiten Zellenanordnung 14 zugeführte Kühlmittel wird verbraucht, um die zweite Zellenanordnung 14 zu kühlen, und wird anschließend von der Kühlmittel-Abführ öffnung 64b in das andere Ende der Kühlmittelgas-Zirkulationsleitung 36 abgeleitet.
Der bei Speisung der ersten Zellenanordnung 12 und der zweiten Zellenanordnung 14 mit dem Brennstoffgas und dem sauerstoffhaltigen Gas erzeugte elektrische Strom wird über eine Stromklemme (nicht gezeigt) zu einem externen Stromkreis, der den Strom in Form von Gleichstrom verwendet, entnommen.
In der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird, wie oben beschrieben, das Brennstoffgas von der zweiten Zellenanordnung 14 zur ersten Zellenanordnung 12 geleitet, und das sauerstoffhaltige Gas und das Kühlmittel werden von der ersten Zellenanordnung 12 zur zweiten Zellenanordnung 14 geleitet, und zwar, wie durch die Pfeile angegeben (siehe 1), entlang der Verbindungsleitungen 40, 46, 52 und der Zirkulationsleitungen 34, 32, 36. Da das Kühlmittel von der ersten Zellenanordnung 12 zur zweiten Zellenanordnung 14 geleitet wird, hat die erste Zellenanordnung 12 grundsätzlich eine niedrigere Temperatur als die zweite Zellenanordnung 14.
Das Verfahren zum Steuern/Regeln von Reaktionsgasdurchflüssen in der Brennstoffzelle 10 abhängig von deren Lastbedingungen und das Verfahren zum Steuern/Regeln der Temperatur der Brennstoffzelle 10 durch ein Steuern/Regeln des Kühimitteldurchflusses wird im Folgenden beschrieben. Es sei angenommen, dass die Brennstoffzelle 10 an einem Fahrzeug angebracht ist, zum Beispiel an einem Automobil oder dergleichen.
Nachstehend wird zunächst die Betriebsweise der Brennstoffzelle 10 unter mittleren oder hohen Lastbedingungen (das Fahrzeug bewegt sich entweder mit einer konstanten Geschwindigkeit oder bergauf) beschrieben.
Der Durchfluss des Brennstoffgases wird wie durch die Pfeile in 2 angegeben gesteuert/geregelt. Insbesondere werden die richtungsabhängigen Steuer-/Regelventile 106, 104 betätigt, und es wird die Brennstoffgaspumpe 90 betrieben, um das aus dem Brennstofftank 92 zugeführte Brennstoffgas über eine Strahlpumpe 102 in die zweite Zellenanordnung 14 zu speisen. Zu dieser Zeit ist das Brennstoffgas trocken. Wenngleich die zweite Zellenanordnung 14 eine relativ hohe Temperatur aufweist, enthält sie aufgrund des durch eine elektrochemische Reaktion in der zweiten Zellenanordnung 14 erzeugten Wassers und des Wassers, das in dem aus der ersten Zellenanordnung 12 abgeleiteten und dann in die zweite Zellenanordnung 14 eingeleiteten sauerstoffhaltigen Gas enthalten ist, eine ausreichende Menge an für eine elektrochemische Reaktion notwendigem Wasser. Deshalb wird verhindert, dass die Festpolymerelektrolyt-Membran 22b in der zweiten Zellenanordnung 14 trocken wird, selbst wenn das zugeführte Brennstoffgas trocken ist. Da die zweite Zellenanordnung 14 eine relativ hohe Temperatur aufweist, bei einem darin entwickelten erhöhten Wasserdampf-Partialdruck, wird verhindert, dass in der ersten Brennstoffgasleitung 44 in der zweiten Zellenanordnung 14 eine Wasserkondensation stattfindet.
Das durch elektrochemische Reaktion in der zweiten Zellenanordnung 14 verbrauchte und aus dieser abgeführte Brennstoffgas wird durch die Brennstoffgas-Verbindungsleitung 46 in die erste Zellenanordnung 12 geleitet. Die erste Zellenanordnung 12 hat eine relativ niedrige Temperatur, da sie zuerst mit dem eine niedrige Temperatur aufweisenden Kühlmittel versorgt wird. Falls die in dem Brennstoffgas, das in die erste Zellenanordnung 12 geleitet wird, enthaltene Wassermenge für die elektrochemische Reaktion an der Festpolymerelektrolyt-Membran 22a in der ersten Zellenanordnung 12 nicht ausreicht, wird das richtungsabhängige Steuer-/Regelventil 108 betätigt, um ein Brennstoffgas in die Brennstoffgas-Verbindungsleitung 46 einzuleiten, das durch den ersten Befeuchter 100 auf eine vorgegebene relative Feuchtigkeit eingestellt wurde. Das in die erste Zellenanordnung 12 geleitete Brennstoffgas wird durch die elektrochemische Reaktion verbraucht, danach aus der ersten Zellenanordnung 12 abgeführt und durch den ersten Befeuchter 100 und die Brennstoffgaspumpe 90 zu dem richtungsabhängigen Steuer-/Regelventil 108 zirkuliert.
Der Durchfluss des sauerstoffhaltigen Gases wird wie anhand der Pfeile in 3 angegeben gesteuert/geregelt. Insbesondere werden die richtungsabhängigen Steuer-/Regelventile 120, 122, 124 betätigt, um das von dem Luftkompressor 112 gelieferte sauerstoffhaltige Gas, während es in einem trockenen Zustand ist, über den Vorverdichter 114 und nicht durch den dritten Befeuchter 118 in die erste Zellenanordnung 12 zu leiten. Zu dieser Zeit hat die erste Zellenanordnung 12 durch das ihr zugeführte Kühlmittel eine relativ niedrige Temperatur und enthält daher wegen des durch eine elektrochemische Reaktion in der ersten Zellenanordnung 12 erzeugten Wassers und des Wassers, das in dem aus der zweiten Zellenanordnung 14 abgeleiteten und dann in die erste Zellenanordnung 12 eingeleiteten Brennstoffgas enthalten ist, eine ausreichende Menge an für eine elektrochemische Reaktion notwendigem Wasser. Obwohl die erste Leitung 38 für sauerstoffhaltiges Gas in der ersten Zellenanordnung 12 dazu neigt, darin Wasser zu kondensieren, weil die erste Zellenanordnung 12 eine relativ niedrige Temperatur aufweist, verhindert das trockene sauerstoffhaltige Gas eine Wasserkondensation in der ersten Leitung 38 für sauerstoffhaltiges Gas.
Das durch die elektrochemische Reaktion in der ersten Zellenanordnung 12 verbrauchte und aus dieser abgeleitete sauerstoffhaltige Gas wird durch die Verbindungsleitung 40 für sauerstoffhaltiges Gas in die zweite Zellenanordnung 14 geleitet. Zu dieser Zeit hat die zweite Zellenanordnung 14 eine relativ hohe Temperatur. Falls die Menge des in die zweite Zellenanordnung 14 geleiteten sauerstoffhaltigen Gases für eine elektrochemische Reaktion an der Festpolymerelektrolyt-Membran 22b in der zweiten Zellenanordnung 14 nicht ausreicht, werden die richtungsabhängigen Steuer-/Regelventile 120, 122 betätigt, um sauerstoffhaltiges Gas in die Verbindungsleitung 40 für sauerstoffhaltiges Gas zu speisen, das durch den Regler 119 auf einen vorgegebenen Druck, d.h. eine vorgegebene Durchflussmenge eingestellt wurde. Das in die zweite Zellenanordnung 14 geleitete sauerstoffhaltige Gas wird durch die elektrochemische Reaktion verbraucht und dann aus der zweiten Zellenanordnung 14 abgeführt. Das aus der zweiten Zellenanordnung 14 abgeführte sauerstoffhaltige Gas beaufschlagt das Brennstoffgas in dem zweiten Befeuchter 116 mit Wasser und wird dann über den dritten Befeuchter 118 aus dem Einstellmechanismus 78 für sauerstoffhaltiges Gas abgeführt.
Die Betriebsweise der Brennstoffzelle 10 unter niedrigen Lastbedingungen (entsprechend einem Leerlaufmodus eines durch eine Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeugs) wird nachstehend erläutert.
Der Durchfluss des Brennstoffgases wird wie anhand der Pfeile in 4 angegeben gesteuert/geregelt. Insbesondere werden die richtungsabhängigen Steuer-/Regelventile 106, 104 betätigt, die Brennstoffgaspumpe 90 wird betätigt, und die Injektorpumpe 102 wird betrieben, um das aus dem Tank 92 zugeführte Brennstoffgas nach dessen Mischen mit einem durch den ersten Befeuchter 100 befeuchteten Brennstoffgases (ein zirkuliertes Brennstoffgas aus der ersten Zellenanordnung 12) in die zweite Zellenanordnung 14 zu leiten. Das Brennstoffgas wird wegen der geringen Mengen des durch eine elektrochemische Reaktion in der zweiten Zellenanordnung 14 erzeugten Wassers und des in dem sauerstoffhaltigen Gas, das aus der ersten Zellenanordnung 12 abgeleitet und dann in die zweite Zellenanordnung 14 eingeleitet wird, enthaltenen Wassers befeuchtet. Deshalb wird eine für eine elektrochemische Reaktion an der Festpolymerelektrolyt-Membran 22b in der zweiten Zellenanordnung 14 ausreichende Wassermenge beibehalten und verhindert, dass die Festpolymerelektrolyt-Membran 22b trocken wird.
Das durch die elektrochemische Reaktion in der zweiten Zellenanordnung 14 verbrauchte und daraus abgeführte Brennstoffgas wird durch die Brennstoffgas-Verbindungsleitung 46 in die erste Zellenanordnung 12 geleitet. Da die erste Zellenanordnung 12 eine relativ niedrige Temperatur aufweist, enthält das in die erste Zellenanordnung 12 eingeleitete Brennstoffgas eine für die elektrochemische Reaktion an der Festpolymerelektrolyt-Membran 22a in der ersten Zellenanordnung 12 ausreichende Wassermenge. Folglich wird das Brennstoffgas nicht durch das richtungsabhängige Steuer-/Regelventil 108 mit einem befeuchteten Brennstoffgas vermischt. Das in die erste Zellenanordnung 12 eingeleitete Brennstoffgas wird durch die elektrochemische Reaktion verbraucht, dann aus der ersten Zellenanordnung 12 abgeleitet, durch den ersten Befeuchter 100 und die Brennstoffgaspumpe 90 zirkuliert, mit dem Brennstoffgas vermischt, das durch die Strahlpumpe 102 aus dem Brennstofftank 92 zugeführt wird, und dann zirkuliert.
Der Durchfluss des sauerstoffhaltigen Gases wird wie durch die Pfeile in 5 angegeben gesteuert/geregelt. Insbesondere werden die richtungsabhängigen Steuer-/Regelventile 120, 122, 124 betätigt, um das von dem Luftkompressor 112 gelieferte sauerstoffhaltige Gas nach dem Befeuchten des sauerstoffhaltigen Gases durch den dritten Befeuchter 118 über den Vorverdichter 114 in die erste Zellenanordnung 12 zu leiten. Das sauerstoffhaltige Gas wird wegen der geringen Mengen des durch eine elektrochemische Reaktion in der ersten Zellenanordnung 12 erzeugten Wassers und des in dem Brennstoffgas, das aus der zweiten Zellenanordnung 14 abgeleitet und dann in die erste Zellenanordnung 12 eingeleitet wird, enthaltenen Wassers befeuchtet. Deshalb wird eine für eine elektrochemische Reaktion an der Festpolymerelektrolyt-Membran 22a in der ersten Zellenanordnung 12 ausreichende Wassermenge beibehalten und verhindert, dass die Festpolymerelektrolyt-Membran 22a trocken wird.
Das durch die elektrochemische Reaktion in der ersten Zellenanordnung 12 verbrauchte und aus dieser abgeleitete sauerstoffhaltige Gas wird durch die Verbindungsleitung 40 für sauerstoffhaltiges Gas in die zweite Zellenanordnung 14 geleitet. Zu dieser Zeit hat die zweite Zellenanordnung 14 eine relativ hohe Temperatur. Soweit die Menge des in die zweite Zellenanordnung 14 geleiteten sauerstoffhaltigen Gases für die elektrochemische Reaktion an der Festpolymerelektrolyt-Membran 22b in der zweiten Zellenanordnung 14 ausreicht, wird das sauerstoffhaltige Gas nicht durch das richtungsabhängige Steuer-/Regelventil 122 mit einem befeuchteten sauerstoffhaltigen Gas gemischt. Das in die zweite Zellenanordnung 14 geleitete sauerstoffhaltige Gas wird durch die elektrochemische Reaktion verbraucht und dann aus der zweiten Zellenanordnung 14 abgeführt. Das aus der zweiten Zellenanordnung 14 abgeführte sauerstoffhaltige Gas durchströmt den zweiten Befeuchter 116 und dann den dritten Befeuchter 118, die Wasser aus dem sauerstoffhaltigen Gas absorbieren. Das sauerstoffhaltige Gas wird anschließend aus dem Einstellmechanismus 78 für sauerstoffhaltiges Gas abgeleitet.
Die Betriebsweise der Brennstoffzelle 10 für den Warmlaufbetrieb zur Zeit eines Starts (entsprechend einem Warmlaufmodus eines durch eine Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeugs) wird nachstehend beschrieben.
Der Durchfluss des Brennstoffgases wird wie durch die Pfeile in 6 angegeben gesteuert/geregelt. Insbesondere werden die richtungsabhängigen Steuer-/Regelventile 106, 104, 108 betätigt, um das aus dem Brennstofftank 92 gelieferte Brennstoffgas durch die Brennstoffgaspumpe 90 in die erste Zellenanordnung 12 zu leiten. Das aus der ersten Zellenanordnung 12 abgeleitete Brennstoffgas wird durch den ersten Befeuchten 100 auf eine vorgegebene relative Feuchtigkeit eingestellt und dann in der durch die Pfeile in 6 angegebenen Richtung zirkuliert.
Der Durchfluss des sauerstoffhaltigen Gases wird wie durch die Pfeile in 7 angegeben gesteuert/geregelt. Das richtungsabhängige Steuer-/Regelventil 120 wird betätigt, um das von dem Luftkompressor 112 gelieferte sauerstoffhaltige Gas, während es in einem trockenen Zustand ist, über den Vorverdichter 114 und nicht durch den dritten Befeuchter 118 in die erste Zellenanordnung 12 zu leiten. Das aus der ersten Zellenanordnung 12 abgeführte sauerstoffhaltige Gas wird durch die richtungsabhängigen Steuer-/Regelventile 122, 124 in den zweiten Befeuchter 116 geleitet, in dem das sauerstoffhaltige Gas Wasser aus dem Brennstoffgas absorbiert. Das sauerstoffhaltige Gas wird dann durch den dritten Befeuchter 118 aus dem Einstellmechanismus 78 für sauerstoffhaltiges Gas abgeleitet.
Im Warmlaufbetrieb zur Zeit eines Starts wird, wie vorstehend beschrieben, nur die erste Zellenanordnung 12 bei einer relativ niedrigen Temperatur betrieben. Infolgedessen läuft die Brennstoffzelle 10 rasch warm, und es wird ein Abwürgen des Fahrzeugs (Anhalten des Motors) wegen eines Spannungsabfalls in der zweiten Zellenanordnung 14 verhindert, wenn das Fahrzeug unmittelbar nach dem Start fährt.
Das Verfahren zum Steuern/Regeln der Temperatur der Brennstoffzelle 10 durch ein Steuern/Regeln des Kühlmitteldurchflusses wird nachstehend beschrieben.
Befindet sich das Fahrzeug unter mittleren oder hohen Lastbedingungen, wird der Durchfluss des Kühlmittels wie anhand der durchgezogenen Pfeile in 8 dargestellt gesteuert/geregelt. Insbesondere wird das durch die Pumpe 126 zirkulierte Kühlmittel durch das Thermoventil 130 gesteuert/geregelt, um in den Kühler 128 zu strömen. Das Kühlmittel wird durch den Kühler 128 gekühlt und anschließend in die erste Zellenanordnung 12 und die zweite Zellenanordnung 14 geleitet. Das aus der ersten Zellenanordnung 12 abgeführte Kühlmittel wird durch das Thermoventil 132 zur Pumpe 126 zirkuliert.
Befindet sich das Fahrzeug unter niedrigen Lastbedingungen, wird das Kühlmittel, das wie oben im Zusammenhang mit dem sich unter mittleren oder hohen Lastbedingungen befindenden Fahrzeug beschrieben aus der ersten Zellenanordnung abgeführt wird, durch das Thermoventil 132 in die zweite Zellen anordnung 14 gespeist und mit dem Kühlmittel kombiniert, das wie durch die Leerpfeile in 8 angegeben aus dem Kühler 128 strömt. Im Warmlaufbetrieb zur Zeit des Startens wird das Thermoventil 130 betätigt, um das Kühlmittel, das wie oben im Zusammenhang mit dem sich unter mittleren oder hohen Lastbedingungen befindenden Motor beschrieben durch die Pumpe 126 zirkuliert wird, in der Weise zu lenken, dass es den Kühler 128 umgeht, wie das durch die gestrichelten Pfeile in 8 angegeben ist.
Um den Temperatursituationen in der ersten Zellenanordnung 12 und der zweiten Zellenanordnung 14 gerecht zu werden, werden die Thermoventile 130, 132 durch Befehle betätigt, die auf Grundlage der durch die Thermoventile 130, 132, 134 erfassten Temperaturen des Kühlmittels durch die Steuer-/ Regeleinheit (nicht gezeigt) erzeugt werden. Auf diese Weise lassen sich die Temperaturen der ersten Zeilenanordnung 12 und der zweiten Zellenanordnung 14 auf optimale Höhen steuern/regeln.
Bei einer Brennstoffzelle 10 und ihrem Steuer-/Regelverfahren wie oben beschrieben wird von den Zeilenanordnungen 12, 14, deren jede eine Mehrzahl von gestapelten Membranelektrodenanordnungen 18 bzw. 20 umfasst, die eine Zellenanordnung, 12, bei einer relativ niedrigen Temperatur betrieben und die andere Zellenanordnung, 14, bei einer relativ hohen Temperatur. Die Zellenanordnungen 12, 14 sind durch die Verbindungsleitung 40 für sauerstoffhaltiges Gas, die Brennstoffgas-Verbindungsleitung 46 und die Kühlmittel-Verbindungsleitung 52, die die erste und zweite Leitung 38, 42 für sauerstoffhaltiges Gas, die erste und zweite Brennstoffgasleitung 44, 48 und die erste und zweite Kühlmittelleitung 50, 54 verbinden, miteinander verbunden. Der Brennstoffgas-Einstellmechanismus 76 wird betätigt, um den Durchfluss des Brennstoffgases in der Brennstoffgas-Verbindungsleitung 46 zu steuern/regeln. Der Einstellmechanismus 78 für sauerstoffhaltiges Gas wird betätigt, um den Durchfluss des sauerstoffhaltigen Gases in der Verbindungsleitung 40 für sauerstoffhaltiges Gas zu steuern/regeln. Der Kühlmittel-Einstellmechanismus 80 wird betätigt, um den Durchfluss des Kühlmittels in der Kühlmittel-Verbindungsleitung 52 zu steuern/regeln. Die Temperaturen in den Zellenanordnungen 12, 14, die relative Feuchtigkeit in dem Brennstoffgas und die relative Feuchtigkeit in dem sauerstoffhaltigen Gas werden ebenfalls eingestellt.
Deshalb werden, da die Temperaturen in der Stapelrichtung der ersten und zweiten Membranelektrodenanordnung 18, 20 in den Zellenanordnungen 12, 14 gesteuert/geregelt werden, auch die relative Feuchtigkeit in dem Brennstoffgas und die relative Feuchtigkeit in dem sauerstoffhaltigen Gas gesteuert/geregelt. Als Ergebnis wird verhindert, dass in der ersten und zweiten Brennstoffgasleitung 44, 48 und in der ersten und zweiten Leitung 38, 42 für sauerstoffhaltiges Gas eine Wasserkondensation und Wasseranstauung bedingt durch eine Trocknung von und überschüssiges Wasser in den Festpolymerelektrolyt-Membranen 22a, 22b stattfindet. Infolgedessen werden die elektrochemischen Reaktionen in den Zellenanordnungen 12, 14 stabilisiert und beschleunigt, zum Erhöhen der Produktivität der Brennstoffzelle 10 bei der Erzeugung von elektrischem Strom.
Wenn die Zellenanordnungen 12, 14 im wesentlichen in horizontaler Richtung nebeneinander vorgesehen sind, sind die nachteiligen Wirkungen, die die Temperaturen und relativen Feuchtigkeiten der Zellenanordnungen 12, 14 aufeinander haben, wesentlich geringer als bei Zellenanordnungen, die zu einem Stapel zusammengeschlossen sind. Deshalb werden die elektrochemischen Reaktionen in den Zellenanordnungen 12, 14 mehr stabilisiert und beschleunigt, für eine weitere Erhöhung der Produktivität der Brennstoffzelle 10 bei der Stromerzeugung.
Eine Brennstoffzelle (10) weist Zellenanordnungen (12, 14) auf, die durch eine Brennstoffgas-Verbindungsleitung (46), eine Verbindungsleitung (40) für sauerstoffhaltiges Gas und eine Kühlmittel-Verbindungsleitung (52) miteinander verbunden sind. Ein Brennstoffgas-Einstellmechanismus, ein Einstellmechanismus für sauerstoffhaltiges Gas und ein Kühlmittel-Einstellmechanismus sind jeweils mit der Brennstoffgas-Verbindungsleitung (46), der Verbindungsleitung (40) für sauerstoffhaltiges Gas und der Kühlmittel-Verbindungsleitung (52) verbunden. Diese Einstellmechanismen stellen die Temperaturen in den Zellenanordnungen (12, 14), die relative Feuchtigkeit in dem Brennstoffgas und die relative Feuchtigkeit in dem sauerstoffhaltigen Gas ein.

Claims

Brennstoffzelle, umfassend: Zellenanordnungen (12, 14), deren jede eine Mehrzahl von Einheitszellen mit jeweils einer Membranelektrodenanordnung (18, 20) aus einer Anode (26a, 26b), einer Kathode (24a, 24b) und einer zwischen der Anode (26a, 26b) und der Kathode (24a, 24b) vorgesehenen Festpolymerelektrolyt-Membran (22a, 22b) aufweist, wobei die Zellenanordnungen (12, 14) zumindest teilweise in diesen definierte und über die Einheitszellen hinweg miteinander in Reihe geschaltete Reaktionsgasleitungen (38, 42, 44, 48) und Kühlmittelleitungen (50, 54) zum Zuführen und/oder Zirkulieren von Reaktionsgasen und einem Kühlmittel zu den Zellenanordnungen (12, 14) haben; eine Brennstoffgas-Auslass-/Einlassleitung (46), die sich zwischen den Einheitszellen erstreckt und mit den Brennstoffgasleitungen (44, 48) der Reaktionsgasleitungen (38, 42, 44, 48) in Verbindung steht, um ein Brennstoffgas hindurchzuleiten; und einen mit der Brennstoffgas-Auslass-/Einlassleitung (46) verbundenen Brennstoffgas-Einstellmechanismus (76) zum Steuern/Regeln der Durchflussrate und -richtung des Brennstoffgases.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Auslass-/Einlassleitung (40) für sauerstoffhaltiges Gas, die sich zwischen den Einheitszellen erstreckt und mit Leitungen (38, 42) für sauerstoffhaltiges Gas der Reaktionsgasleitungen (38, 42, 44, 48) in Verbindung steht, um ein sauerstoffhaltige Gas hindurchzuleiten; und einen mit der Auslass-/Einlassleitung (40) für sauerstoffhaltiges Gas verbundenen Einstellmechanismus (78) für sauerstoffhaltiges Gas zum Steuern/Regeln der Durchflussrate und -richtung des sauerstoffhaltigen Gases.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: eine sich zwischen den Einheitszellen erstreckende und mit den Kühlmittelleitungen (50, 54) in Verbindung stehende Kühlmittel-Auslass-/ Einlassleitung (52) zum Hindurchleiten eines Kühlmittels; und einen mit der Kühlmittel-Auslass-/Einlassleitung (52) verbundenen Kühlmittel-Einstellmechanismus (80) zum Steuern/Regeln der Durchflussrate und -richtung des Kühlmittels.
Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei wenigstens zwei der Einheitszellen der Zellenanordnungen (12, 14) nebeneinander angeordnet sind.
Verfahren zum Steuern/Regeln einer Brennstoffzelle, die Zellenanordnungen (12, 14) umfasst, deren jede eine Mehrzahl von Einheitszellen mit jeweils einer Membranelektrodenanordnung (18, 20) aus einer Anode (26a, 26b), einer Kathode (24a, 24b) und einer zwischen der Anode (26a, 26b) und der Kathode (24a, 24b) vorgesehenen Festpolymerelektrolyt-Membran (22a, 22b) aufweist, wobei die Zellenanordnungen (12, 14) zumindest teilweise in diesen definierte und über die Einheitszellen hinweg miteiander in Reihe geschaltete Reaktionsgasleitungen (38, 42, 44, 48) und Kühlmittelleitungen (50, 54) zum Zuführen und/oder Zirkulieren von Reaktionsgasen und einem Kühlmittel zu den Zellenanordnungen (12, 14) aufweisen; wobei das Verfahren den Schritt umfasst: Steuern/Regeln eines die Brennstoffgasleitungen (44, 48) der Reaktionsgasleitungen (38, 42, 44, 48) durchströmenden Brennstoffgases mit einem Brennstoffgas-Einstellmechanismus (76), um dadurch die Temperaturen und relativen Feuchtigkeiten der Zellenanordnungen (12, 14) einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend den Schritt des Steuerns/Regelns eines die Leitungen (38, 42) für sauerstoffhaltiges Gas der Reaktionsgasleitungen (38, 42, 44, 48) durchströmenden sauerstoffhaltigen Gases mit einem Einstellmechanismus (78) für sauerstoffhaltiges Gas, um dadurch die Temperaturen und relativen Feuchtigkeiten der Zellenanordnungen (12, 14) einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend den Schritt des Steuerns/Regelns eines Kühlmittels, das einer sich zwischen den Einheitszellen erstreckenden und mit den Kühlmittelleitungen (50, 54) in Verbindung stehenden Kühlmittel-Auslass-/Einlassleitung (52) zugeführt wird und/oder aus dieser abgeführt wird, mit einem Kühlmittel-Einstellmechanismus (80), um dadurch die Temperaturen und relativen Feuchtigkeiten der Zellenanordnungen (12, 14) einzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, ferner umfassend den Schritt des Steuerns/Regelns der Reaktionsgase und des Kühlmittels, um die Einheitszellen zu betreiben, in welche das Kühlmittel zur Zeit eines Startens der Zellenanordnungen (12, 14) anfänglich eingeleitet wird.