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TECHNISCHES
GEBIET
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Das
technische Gebiet betrifft Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen.
Insbesondere eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem Befeuchtungssystem
mit einem gesteuerten und anpassbaren Druckprofil, welches gleichzeitig
einströmenden
Reaktant befeuchtet und überschüssiges flüssiges Wasser
von den Reaktantenpassagen entfernt.
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Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen sind
bekannt und können
beispielsweise als Stromquellen für elektrische Geräte in Raumfahrzeugen,
in Automobilanwendungen und als stationäre Stromgeneratoren für Gebäude verwendet
werden. In einer typischen Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage sind
mehrere Brennstoffzellen zusammen in wiederholter Weise arrangiert,
um eine Zellenstapelanordnung ("ZSA") zu bilden. Jede
einzelne Brennstoffzelle in der ZSA umfasst typischerweise eine
Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, welche von einem Elektrolyten
getrennt sind. Ein Reaktantenbrennstoff (z.B. Wasserstoff) wird
zur Anode geliefert, und ein Reaktantenoxidationsmittel (z.B. Sauerstoff oder
Luft) wird zur Kathode geliefert. Der Wasserstoff reagiert elektrochemisch
an einem Katalysatorbereich der Membran oder Anode, um Wasserstoffionen
und Elektronen zu erzeugen. Die Elektronen werden durch eine externe
Last zur Kathode geleitet. Die Wasserstoffionen gelangen durch den
Elektrolyten zur Kathode, wo sie mit dem Oxidationsmittel und den
Elektronen kombinieren, um Wasser und Wärmeenergie zu erzeugen.
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In
einer Brennstoffzelle mit einer Protonenaustauschmembran (PEM) als
Elektrolyten wird die Kombination aus Elektrolyt und Anode und Kathode häufig als
Membranelektrodenanordnung (MEA) bezeichnet. Bei PEM-Brennstoffzellen
muss die Membran befeuchtet werden, um optimale Membranleistung
und Membranlebensdauer zu erhalten. Die PEM-Brennstoffzellen arbeiten
typischerweise bei ca. 80°C,
und falls trockene Reaktantengase verwendet werden, kann das Wasser
in der Membran und das durch die Brennstoffzelle erzeugte Wasser
in den Gasstrom verdampfen und die Membran vertrocknet zurücklassen.
Um ein Vertrocknen der Membran zu verhindern, werden Gase häufig befeuchtet
durch externe oder interne Befeuchtungseinrichtungen.
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Externe
Befeuchten befeuchten Reaktantengase, bevor das Gas zu der Brennstoffzelle
geliefert wird. Interne Befeuchter liefern Wasser, z.B. Kühlmittelwasser,
direkt in die Reaktantengaspassagen in den Brennstoffzellen. Die
Reaktanten- und Kühlmittelpassagen
werden beispielsweise von einer porösen Platte oder Wasser-permeablen
Membran getrennt. Ein Druckunterschied zwischen Kühlmittel und
Reaktant kann Teil des Kühlmittelwassers
durch die Platte oder Membran in die Reaktantenpassagen zwingen,
um den Reaktanten zu befeuchten. Ein Vorteil der Verwendung von
internen Befeuchtern ist, dass die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage einfacher
und kompakter gemacht werden kann als bei Verwendung von externen
Befeuchtern. Ein Beispiel einer PEM-Brennstoffzelle mit interner Befeuchtung
ist gezeigt im US-Patent 4 826 741, welches Adlhart et al. am 2.
Mai 1989 erteilt wurde.
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Ein
Nachteil der internen Befeuchtung ergibt sich aus der Schwierigkeit
des Bereitstellens einer gleichmäßigen Verteilung
von Wasser in der ZSA. Beispielsweise kann eine inadäquate Steuerung
des Druckunterschieds zwischen Kühlmittel
und Reaktant in einer Fehlverteilung von Wasser resultieren, was
die Zellenleistung mindert. Wenn der Kühlmitteldruck zu gering ist,
kann die Befeuchtung unzureichend sein, was den internen elektrischen
Widerstand erhöht.
Falls der Kühlmitteldruck
zu hoch ist, kann Wasser in die Gaspassagen eintreten und die Elektroden
fluten.
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Eine
weitere Schwierigkeit der internen Befeuchtung ist die Steuerung
der Wasserverteilung in der Ebene des aktiven Bereichs der MEA.
Der aktive Bereich der MEA ist der Teil der Membran (oder benachbarten
Elektrode), welcher Katalysator aufweist und wo die elektrochemische
Reaktion stattfindet. Falls der Kühlmitteldruck ausreichend ist,
um den stromaufwärtigen
Bereich des aktiven Bereichs zu befeuchten, kann Wasser im stromabwärtigen Bereich
exzessiv vorhanden sein, aufgrund des fortwährenden Verbrauchs von Reaktanten
und der Erzeugung von Wasser durch die elektrochemische Reaktion.
Dies kann zum Fluten des Katalysators im stromabwärtigen Bereich
führen.
Versuche, das flüssige
Wasser im stromabwärtigen
Bereich zu verringern, kann das Reduzieren der Feuchtigkeit des
einströmenden
Reaktanten umfassen, aber dies kann zum Austrocknen der Membran
im stromaufwärtigen Bereich
führen.
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Eine
weitere Schwierigkeit bei internen Befeuchtern ist mit dem Erfordernis
für Übergangsfähigkeit
verbunden. Wenn eine Brennstoffzelle im Betrieb ist, ändern sich
Strömungsraten
(und Drücke)
der Reaktantengase entsprechend der sich ändernden Last oder Übergangslastanforderungen,
welche an die Brennstoffzelle gestellt werden. Falls der Kühlmitteldruck
nicht auch sich ändern
kann oder sich nicht so schnell wie die Reaktantendrücke ändern kann, können Übergangslastanforderungen
bewirken, dass der Druckunterschied zwischen Kühlmittel und Reaktanten zunimmt
oder abnimmt auf Niveaus, wo die Elektroden geflutet werden oder
die Membran vertrocknet.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Es
wird ein Verfahren beschrieben zum Betreiben einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage
mit einer Reaktantenpassage mit einem dem Reaktantenpassageneinlass
benachbarten Stromaufwärtsbereich
und einem dem Reaktantenpassagenauslass benachbarten Stromabwärtsbereich,
wobei die Reaktantenpassage Reaktant an einen Elektrolyten liefert,
wobei die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage außerdem mindestens
eine Flüssigkeitspassage
hat und ein poröses
Material, welches flüssigkeitspermeabel
und leitend ist. Das poröse Material
trennt die Reaktantenpassage und die Flüssigkeit spassage. Ein Reaktant
strömt
in der Reaktantenpassage, und Flüssigkeit
fließt
in der Flüssigkeitspassage.
Ein Druckprofil wird gesteuert, um eine positive Druckdifferenz
im Stromauwwärtsbereich
und eine negative Druckdifferenz im Stromabwärtsbereich zur Verfügung zu
stellen. Die positive Druckdifferenz zwingt die Flüssigkeit
in der Flüssigkeitspassage
durch das poröse
Material in den Stromaufwärtsbereich
der Reaktantenpassage. Das Verfahren kann auch das Steuern des Druckprofils
in Reaktion auf mindestens eine gemessene Eigenschaft des Reaktanten
und/oder der Flüssigkeit
aufweisen, und Steuern des Druckprofils auf eine Weise, um Flüssigkeit
mit einem Auslassdruck bereitzustellen, welcher unterhalb eines
Umgebungsdrucks bei einem Flüssigkeitspassagenauslass
ist.
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Dieses
Verfahren kann das Zurverfügungstellen
eines Druckprofils mit einer kontinuierlichen oder einer stufenweisen Änderung
aufweisen. Die stufenweise Änderung
kann realisiert werden durch eine Diskontinuität der Flüssigkeitsströmung, z.B. Strömenlassen
der Flüssigkeit
durch einen Strömungswiderstand
oder durch Zurverfügungstellen von
zwei Flüssigkeitspassagen.
Eine Flüssigkeitspassage
kann benachbart zum Stromaufwärtsbereichsein
und eine erste Flüssigkeitsströmung bei
einem ersten Flüssigkeitsdruck
haben, und eine zweite Flüssigkeitspassage
kann benachbart zum Stromabwärtsbereich
sein und eine zweite Flüssigkeitsströmung mit
einem geringeren zweiten Flüssigkeitsdruck
haben. Eine der Flüssigkeitspassagen
kann sackgassenartig enden, und das Druckprofil kann gesteuert werden
durch Messen der Strömungsrate
von Flüssigkeit
in die sackgassenartige Passage.
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Eine
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage wird beschrieben, welche
betrieben werden kann mit einem ersten Reaktanten, einem zweiten Reaktanten
und einem flüssigen
Kühlmittel,
mit einem verbesserten Befeuchtungssystem. Die Stromerzeugungsanlage
hat eine Membranelektrodenanordnung mit einer ersten Elektrode und
einer zweiten Elektrode. Sie hat außerdem eine Reaktantenverteilungsplatte
mit einem porösen
Material, welches flüssigkeitspermeabel
ist, benachbart der Membranelektrodenanordnung, wobei ein erster
Reaktantenkanal zur ersten Elektrode hin ausgerichtet ist. Die Platte hat
auch einen Flüssigkeitskanal,
welcher von dem ersten Reaktantenkanal durch ein poröses Material getrennt
ist. Der erste Reaktantenkanal hat einen Stromaufwärtsbereich,
einen Stromabwärtsbereich und
einen Übergangsbereich
zwischen dem Stromaufwärts-
und Stromabwärtsbereich.
Die Reaktantenverteilungsplatte hat eine Stufeneinrichtung, um eine
stufenweise Veränderung
in einem Druckprofil zu ermöglichen,
und die Stufeneinrichtung ist in der Reaktantenverteilungsplatte
so positioniert, dass die stufenweise Änderung im Druckprofil dem Übergangsbereich
benachbart stattfindet. Der Übergangsbereich
kann benachbart der Kante eines aktiven Bereichs der Membranelektrodenanordnung sein.
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Das
poröse
Material kann hydrophil mit einer maximalen Porengröße von weniger
als ca. 10 μm sein.
Die Platte kann eine zentrale Schicht aus porösem Material aufweisen, eine
erste äußere Schicht und
eine zweite äußere Schicht,
wobei die erste äußere Schicht
und zweite äußere Schicht
jeweils eine äußere durchschnittliche
Porengröße haben,
welche größer ist
als eine durchschnittliche Porengröße der zentralen Schicht.
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Die
Reaktantenverteilungsplatte kann eine Kathodenschicht, eine entgegengesetzt
angeordnete Anodenschicht und eine Mittelschicht zwischen der Kathodenschicht
und der Anodenschicht aufweisen. Der erste Reaktantenkanal ist in
der Kathodenschicht, ein zweiter Reaktantenkanal ist in der Anodenschicht,
und der Flüssigkeitskanal
ist in der mittleren Schicht und ist vom ersten und zweiten Reaktantenkanal
durch das poröse
Material getrennt.
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Die
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage kann eine Einrichtung zum
Steuern eines Druckprofils in Reaktion auf eine gemessene Eigenschaft von
mindestens einem der Kühlmittel,
ersten Reaktant und zweiten Reaktant aufweisen.
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Ein
Verfahren zum Beschreiben einer Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodenanordnung mit
einem aktiven Bereich und einer der Membranelektrodenanordnung benachbarten
Platte wird beschrieben. Die Platte ist aus einem porösen Material gemacht
und hat einen Reaktantenkanal und einen Kühlmittelkanal. Der Reaktantenkanal
liefert Reaktant zu dem aktiven Bereich und wird von dem Kühlmittelkanal
durch das poröse
Material getrennt. Das Verfahren umfasst Strömenlassen eines Reaktanten in
den Reaktantenkanal, Strömenlassen
eines Kühlmittels
in den Kühlmittelkanal,
Bereitstellen einer positiven Druckdifferenz in einem Stromaufwärtsbereich
des Reaktantenkanals, um eine verbesserte Befeuchtungszone zu erzeugen,
Bereitstellen einer neutralen Druckdifferenz in einem Übergangsbereich des
Reaktantenkanals und Bereitstellen einer negativen Druckdifferenz
in einem Stromabwärtsbereich des
Reaktantenkanals.
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Die
neutrale Druckdifferenz kann benachbart zu einer Kante des aktiven
Bereichs sein. Das Kühlmittel
kann durch einen Kühlmitteleinlassbereich
bei einer ersten Temperatur und in einem Kühlmittelzwischenbereich bei
einer zweiten Temperatur strömen, wobei
die zweite Temperatur geringer als die erste Temperatur ist, und
der Reaktant strömt
durch eine Zone mit verbesserter Kondensation, dem Zwischenbereich
benachbart. Dieses Verfahren kann Strömenlassen des Kühlmittels
durch einen Widerstand aufweisen, nachdem das Kühlmittel den Kühlmitteleinlassbereich
verlässt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Querschnitt-Endansicht der internen Anordnung in einer Zellenstapelanordnung;
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2 ist
eine teilweise schematische Draufsicht auf eine Reaktantenverteilungsplatte
mit Kühlmittel
und Oxidationsmittelkanälen,
welche gerade und parallel sind;
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3 zeigt
grafisch das Druckprofil zwischen dem Oxidationsmitteldruck und
Kühlmitteldruck
für die
Ausführungsformen
von 1 und 2;
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4 ist
eine partielle schematische Draufsicht auf eine Reaktantenverteilungsplatte
mit serpentinenförmigen
Oxidationsmittel- und Kühlmittelkanälen, weiche
für Betrieb
mit gemeinsamer Strömung angeordnet
sind;
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5 ist
eine teilweise schematische Draufsicht auf eine Reaktantenverteilungsplatte
mit serpentinenförmigen
Oxidationsmittel- und Kühlmittelkanälen, welche
für Betrieb
mit Gegenströmung
ausgerichtet sind;
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6 ist
eine schematische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit mit einer
Einrichtung zum Steuern des Auslassdrucks des Kühlmittels;
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7 ist
eine partielle schematische Draufsicht einer Reaktantenverteilungsplatte
mit zwei unabhängigen
Kühlmittel-Strömungspassagen;
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8 zeigt
grafisch das Druckprofil zwischen den Kühlmittel- und Oxidationsmitteldrücken für die in 7 gezeigte
Ausführungsform;
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9 ist
eine teilweise schematische Draufsicht einer Reaktantenverteilungsplatte
mit zwei unabhängigen
Kühlmittel-Strömungspassagen,
welche für
Betrieb mit Gegenströmung
angeordnet sind;
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10 zeigt
grafisch das Druckprofil zwischen den Kühlmittel- und Oxidationsmitteldrücken der
in 9 gezeigten Ausführungsform;
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11 ist
eine schematische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit mit zwei
unabhängigen
Kühlmittelkanälen, von
welchen einer sackgassenartig endet;
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12 zeigt
grafisch das Druckprofil zwischen den Kühlmittel- und Oxidationsmitteldrücken für die in 11 gezeigte
Ausführungsform;
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13 ist
eine Querschnittsendansicht einer porösen Reaktantenverteilungsplatte,
welche drei Materialschichten aufweist;
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14 it
eine Querschnitt-Endansicht einer Reaktantenverteilungsplatte, welche
fünf Materialschichten
aufweist;
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15 ist
eine schematische Ansicht einer Brennstoffzelle mit einem Kühlmittelwasserkreislauf;
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16 zeigt
grafisch das Druckprofil zwischen Kühlmittel und Oxidationsmittel
in der Ausführungsform
von 15;
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17 ist
eine schematische Draufsicht einer Reaktantenverteilungsplatte mit
einem Strömungswiderstand
in einer Kühlmittelpassage;
und
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18 zeigt
grafisch das Druckprofil zwischen dem Kühlmittel und dem Oxidationsmittel
in der Figur von 17; und
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19 ist
eine schematische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit mit einem
Gassensor und einem Feuchtigkeitssensor.
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AUSFÜHRUNGSART(EN) DER ERFINDUNG
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1 zeigt
einen Teil einer Zellenstapelanordnung (ZSA) (8) mit mindestens
einer Brennstoffzelleneinheit (10). Die Brennstoffzelleneinheit
kann eine Membranelektrodenanordnung (MEA) (12), eine erste
kathodenseitige Reaktantenverteilungsplatte (20) und eine
zweite oder anodenseitige Reaktantenverteilungsplatte (26)
haben. Die MEA hat eine Protonenaustauschmembran (PEM) (14)
zwischen einer Anodenelektrode (16) und einer Kathodenelektrode (18).
Die Elektroden können
eine Fachleuten bekannte Konstruktion aufweisen und können eine
oder mehrere Materialschichten aufweisen, abhängig von den Erfordernissen
einer jeweiligen Brennstoffzellenkonstruktion. Die erste Verteilungsplatte
(20) kann der Kathode (18) benachbart positioniert
werden, wobei Oxidationsmittel-Strömungspassagen (22)
auf einer auf die Kathode ausgerichteten Fläche und Kühlmittel-Strömungspassagen
(24) auf der entgegengesetzten Fläche der Platte angeordnet sind.
Die zweite Verteilungsplatte (26) ist der Anode benachbart
positioniert und kann auf der Oberfläche Brennstoff-Strömungspassagen
(28) haben, welche zur Anode ausgerichtet sind. Die Platte
(26) kann aus einem leitenden, festen oder porösen Kohlenstoffmaterial
gebildet sein. Wenngleich die Querschnittsflächen der Oxidationsmittel-Brennstoff-
und Kühlmittelpassagen etwa
gleich wie in 1 gezeigt sind, können sie
verschiedene Größen haben
und je nach Notwendigkeit verändert
werden, um die Steuerung der Druckabfälle von Reaktenten und Kühlmittel
zu steuern, welche notwendig oder erwünscht für ein vorgegebenes Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen-Design sind.
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Die
Platte (20) kann aus einem flüssigkeitspermeablen, leitenden,
porösen
Material gemacht sein, z.B. eine poröse Kohlenstoff- oder Grafit-basierte
Platte. Die Oxidationsmittelpassage (22) und die Kühlmittelpassage
(24) werden durch das poröse Material der Platte (20)
getrennt. Vorzugsweise ist die leitende poröse Platte (20) hydrophil,
um das Füllen der
Poren mit Wasser zu vereinfachen, und falls es einen Druckunterschied
zwischen dem Kühlmittelwasser
und dem Oxidationsmittelwasser gibt, kann Wasser über die
Poren durch die Platte migrieren. Die wassergefüllten Poren bieten jedoch eine
Nassdichtung, um die gasförmigen
Reaktanten am Migrieren durch die Platte zu hindern. Der Blasendruck (d.h.
ein Druck, welcher Gas durch die wassergefüllte Platte zwingen kann) kann
je nach Wunsch verändert werden,
um an ein spezifisches Brennstoffzellendesign angepasst zu werden.
Der Blasendruck kann abhängig
von verschiedenen Parametern, einschließlich der Porengröße, variieren.
In einem System, welches einen Blasendruck von ca. 10 kPa verwendet, ist
man beispielsweise der Ansicht, dass die Porengröße maximal nicht mehr als 10 μm groß sein sollte.
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2 zeigt
eine Verteilungsplatte (20) mit Oxidationsmittel-Strömungspassagen
oder Kanälen (22),
welche gerade und parallel sein können und das Oxidationsmittel
(z.B. Sauerstoff oder Luft) von einem Oxidationsmitteleinlass-Verzweigungssystem (30)
aufnehmen und Oxidationsmittel in ein Oxidationsmittelauslass-Verzweigungssystem
(32) abgeben. Die Kühlmittel-Strömungspassagen
oder Kanäle
(24) können
auch gerade und parallel sein, und sie können Kühlmittel von einem Kühlmitteleinlass-Verzweigungssystem
(34) aufnehmen und Kühlmittel
in ein Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem
(36) abgeben. Abhängig
von den Anforderungen eines jeweiligen Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen-Designs
kann ein Strömungswiderstand
(35) optional in jeden der Kühlmittelkanäle platziert werden, und der
Strömungswider stand
kann benachbart zur Kante des aktiven Bereichs der MEA (37)
platziert werden.
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Die
Oxidationsmittelkanäle
und Kühlmittelkanäle in 2 sind
für Betrieb
mit gemeinsamer Strömungsrichtung
ausgerichtet, d.h. Oxidationsmittel und Kühlmittel bewegen sich in der
gleichen Richtung wie ihre entsprechenden Strömungskanäle. Wenn das Oxidationsmittel
in das Einlassverzweigungssystem (30) gelangt, kann es
relativ trocken sein, insbesondere falls es nicht durch einen externen
Befeuchter behandelt wurde. Während
das Oxidationsmittel durch die Oxidationsmittelpassage (22)
gelangt, fängt
es typischerweise an, auf Wasser zu treffen, welches durch die elektrochemische
Reaktion produziert wurde. Daher kann als Problem, welches in dieser
Art von Anordnung angetroffen werden kann, ein Wasser-Ungleichgewicht
sein, wobei unzureichende Feuchtigkeit in der Nähe des Einlasses die Membran austrocknen
kann und überschüssiges Wasser
in der Nähe
des Auslasses die Elektrode überfluten
kann.
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2 zeigt
zwei Druckprofile, welche verwendet werden können, um das Wasser-Ungleichgewicht
aufzuheben. Der Ausdruck "Druckprofil" bedeutet die relativen
Drücke
von Oxidationsmittel (oder einem anderen Reaktant) und dem Kühlmittel,
gemessen entlang der Länge
der Reaktantenpassage. Die Druckprofilkurve wird erzeugt durch Bestimmen
der Reaktantendrücke
an einem Punkt im Reaktantenkanal und des Kühlmitteldrucks in einem benachbarten oder
nahe liegenden Bereich des Kühlmittelkanals und
Wiederholen dieses Prozesses an bestimmten Punkten entlang der Länge des
Reaktantenkanals und Auftragen dieser Ergebnisse.
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In 3 ist
der Oxidationsmitteldruck im Reaktantenkanal gezeigt als Funktion
der Entfernung vom Oxidationsmitteleinlass. Das erste Druckprofil
ist für
die Konfiguration von 2 ohne einen Strömungswiderstand
(35) und ist das Verhältnis
zwischen Kühlmitteldruck
(lang-kurz-gestrichelte Linie) und dem Reaktanten. Das zweite Druckprofil
ist für die
Konfiguration von 2 mit dem Strömungswiderstand 35 und
ist das Verhältnis
zwischen Kühlmitteldruck
(gestrichelte Linie) und dem Reaktantendruck. In jedem Druckprofil
ist der Kühl mitteldruck höher als
der Oxidationsmitteldruck in der Nähe des Oxidationsmittel-Kanaleinlasses,
was zu einer positiven Druckdifferenz (+dP) führt. Sowohl das Kühlmittel
als auch das Oxidationsmittel durchlaufen Druckabfälle, während sie
von ihrem Einlass zu ihrem Auslass gelangen, aber der Druckabfall
des Kühlmittels ist
größer als
der Druckabfall des Oxidationsmittels. Daher ist in der Nähe des Oxidationsmittelauslasses der
Kühlmitteldruck
geringer als der Oxidationsmitteldruck, was zu einer negativen Druckdifferenz
(–dP) führt.
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Im
ersten Druckprofil (lang-kurz-gestrichelte Linie) nimmt die Größenordnung
der positiven Druckdifferenz (+dP) ab, wenn sich Kühlmittel-
und Reaktantenströmung
weiter von ihren entsprechenden Einlässen entfernen, bis die Druckdifferenz
neutral oder "0" bei einer Übergangsregion
oder einem Übergangsbereich
D1 wird. Wenn sich die Kühlmittel-
und Reaktantenströmung über den Übergangsbereich
hinaus bewegt, wird die Druckdifferenz negativ (–dP), und wenn die Strömungen in
Richtung ihrer Auslässe gelangen,
wird die Größenordnung
der negativen Druckdifferenz größer. Dieses
Druckprofil ändert
sich auf relativ gleichmäßige und
lineare Weise entlang der Länge
des Reaktantenkanals als Folge der gleichförmigen und linearen Veränderungen
von Reaktanten- und Kühlmitteldruck.
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Somit
trennt der Übergangsbereich
bzw. die Übergangsregion
einen Stromaufwärtsbereich
(+dP) des Reaktantenkanals vom Stromabwärtsbereich (–dP) des
Reaktantenkanals. Der Übergang
kann je nach Wunsch lokalisiert sein, abhängig von den Erfordernissen
des jeweiligen Brennstoffzellendesigns. Die positive Druckdifferenz
zwingt Kühlmittelwasser aus
den Kühlmittelkanälen (24)
dazu, in die poröse Verteilungsplatte
(20) und in dem Stromaufwärtsbereich der Oxidationsmittelkanäle (22)
zu strömen. Dies
schafft eine Zone mit verbesserter Befeuchtung, wo das Kühlmittel
zur Befeuchtung des einströmenden
Oxidationsmittelstroms zur Verfügung
steht. Die negative Druckdifferenz kann Wasser aus dem Stromabwärtsbereich
der Oxidationsmittelkanäle (22)
durch die poröse
Platte (20) und zurück
in die Kühlmittelkanäle (24)
zwingen, wodurch überschüssiges flüssiges Wasser
entfernt wird, welches in der elektrochemischen Reaktion erzeugt
wurde, und wodurch ein Fluten der Elektrode benachbart zum Stromabwärtsbereich
des Reaktantenkanals verhindert wird.
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In
manchen Anwendungen kann es erwünscht
sein, die Zone mit verbesserter Befeuchtung (+dP) so klein wie möglich zu
machen, da dieser Bereich gegenüber Überflutung
anfällig
ist und daher für die
elektrochemische Reaktion nicht zur Verfügung steht. Falls dies der
Fall ist, muss die Membran in der Nähe des Oxidationsmittel-Einlassbereiches
nicht Teil des aktiven Bereichs der MEA sein und könnte von
den Reaktantengasen isoliert werden durch Imprägnieren der Elektroden in der
MEA mit einem Material, z.B. einem Polymer. Dies würde verhindern, dass
die Membran einem Reaktantenstrom ausgesetzt ist, der noch nicht
befeuchtet ist, was auch die Korrosion des Katalysators in Bereichen,
wo kein Brennstoff ist, minimieren würde.
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Um
zu erleichtern, dass die Zone mit verbesserter Befeuchtung so klein
wie möglich
gemacht wird, kann es erwünscht
sein, eine Stufenveränderung
im Druckprofil zu haben, beispielsweise indem eine Stufenveränderung
im Kühlmitteldruck
ermöglicht
wird, anstatt das sich gleichförmig
und linear verändernde
Druckprofil und Kühlmitteldruck
zu haben, wie bereits beschrieben. Dies kann erreicht werden durch
Anordnen des Strömungswiderstands
(35) in die Kühlmittelkanäle benachbart
zum Rand des aktiven Bereichs (37) der MEA. Der Strömungswiderstand
oder die Einengung (35) kann jegliche Vorrichtung oder
Struktur sein, welche eine stufenweise Veränderung des Kühlmitteldrucks
ermöglicht,
z.B. durch Bereitstellen einer verkleinerten Querschnittsfläche, z.B.
ein kurzer Flaschenhalsbereich im Kanal oder mehrere Kühlmittelkanäle, welche
für eine
kurze Distanz durch weniger Kanäle
hindurch gelangen. Die stufenweise Veränderung des Kühlmitteldrucks führt zu einer
stufenweisen Veränderung
des Druckprofils von dem Stromaufwärtsbereich der Reaktantenpassage
zum Stromabwärtsbereich
der Reaktantenpassage, wie in 3 durch
die gestrichelte Linie dargestellt. Wie sich ebenfalls aus 3 ergibt,
wird der Übergangsbereich
näher zum
Reaktanteneinlass, zu D2 auf der gestrichelten Linie verlagert,
so dass er mit der Position des Strömungswiderstands (35)
korrespondiert, der benachbart zum Rand des aktiven Bereichs (37)
der MEA angeordnet wird.
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Dieses
Wassermanagementverfahren und Druckprofil kann auch auf der Brennstoff-
oder Anodenseite (16) der MEA verwendet werden. In solchen Fällen kann
die Reaktantenverteilungsplatte (26) aus einem leitenden
porösen
Material gemacht sein und hätte
Kühlmittelpassagen
(nicht gezeigt) auf der entgegengesetzten Seite der Brennstoff-Strömungspassage
(28). Die Drukkunterschiede zwischen dem Brennstoff (z.B.
Wasserstoffgas) und dem Kühlmittel kann
in dem in 3 gezeigten Verhältnis gehalten werden,
so dass flüssiges
Kühlmittelwasser
zu den Brennstoff-Strömungspassagen
(28) gelangen kann, um den Brennstoff im Stromaufwärtsbereich
zu befeuchten und so das überschüssige Wasser
von den Brennstoff-Strömungspassagen
(28) im Stromabwärtsbereich
entfernt werden kann.
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4 zeigt
eine Ausführungsform
einer Platte (20) mit einem Oxidationsmittel-Strömungskanal oder
-passage (22), welche serpentinenartig zwischen einem Oxidationsmitteleinlass-Verzweigungssystem
(30) und einem Oxidationsmittelauslass-Verzweigungssystem
(32) angeordnet ist. Ein Kühlmittelströmungskanal bzw. eine Kühlmittel-Strömungspassage
(24) ist serpentinenartig zwischen einem Kühlmitteleinlass-Verzweigungssystem
(34) und einem Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem
(36) angeordnet. Im gezeigten Beispiel durchqueren sowohl Oxidationsmittel-
als auch Kühlmittelpassagen
fünf Mal
die Platte (20), aber mehr oder weniger Überquerungen
können
gemacht werden, abhängig
von den Erfordernissen einer jeweiligen Brennstoffzellenkonstruktion.
Die Oxidationsmittel- und die Kühlmittelpassagen
sind für
Betrieb mit gemeinsamer Strömungsrichtung
angeordnet, d.h. sowohl Oxidationsmittel als auch Kühlmittel
bewegen sich in die gleiche Richtung. Das serpentinenartige Muster
kann verwendet werden, um sowohl die Geschwindigkeit als auch die
Länge der
Oxidationsmittel- und Kühlmittelströmung zu
vergrößern. Dies
kann höhere
Druckabfälle
unterstützen,
während
ein Druckprofil mit einer positiven Druckdifferenz im Stromaufwärtsbereich und
einer negativen Druckdifferenz im Stromabwärtsbereich erhalten wird. 5 zeigt
eine Ausführungsform
einer Platte (20) mit einem Oxidationsmittel-Strömungskanal
bzw. -passage (22), welcher serpentinenartig zwischen einem
Oxidationsmitteleinlass-Verzweigungssystem (30) und einem
Oxidationsmittelauslass-Verzweigungssystem (32) angeordnet
ist. Ein Kühlmittelströmungskanal
bzw. -passage (24) ist in serpentinenartiger Weise zwischen einem
Kühlmitteleinlass-Verzweigungssystem
(34) und einem Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem (36)
angeordnet. In dem gezeigten Beispiel überqueren sowohl die Oxidationsmittelpassagen
als auch die Kühlmittelpassagen
die Platte fünf
Mal, aber mehr oder weniger Überquerungen
können
gemacht werden, abhängig
von den Erfordernissen einer jeweiligen Brennstoffzellenkonstruktion.
Die Oxidationsmittelpassagen und Kühlmittelpassagen sind für Gegenstrombetrieb
angeordnet, d.h. das Oxidationsmittel und Kühlmittel strömt in entgegengesetzten
Richtungen, wie durch die Richtungspfeile gezeigt. In dieser Anordnung
kann die Größenordnung
von (+dP) entlang manchen der Bereiche des Oxidationsmittelkanals
zunehmen, im Gegensatz zu der konstanten Abnahme, wie in 3 gezeigt.
Jedoch wird ein Druckprofil mit einer positiven Druckdifferenz in
einem Stromaufwärtsbereich
des Oxidationsmittelkanals und einer negativen Druckdifferenz in
einem Stromabwärtsbereich
des Oxidationsmittelkanals immer noch aufrechterhalten.
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6 ist
eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage
(6) mit einer Zellenstapelanordnung (8) und einem
hydraulischen Ventil (38). Kühlmittel strömt in die
Zellenstapelanordnung durch eine Kühlmittel-Einlassleitung (39),
Oxidationsmittel strömt
durch eine Oxidationsmittel-Einlassleitung
(41), und Brennstoff strömt durch eine Brennstoff-Einlassleitung
(43). Das Ventil (38) kann in der Kühlmittelwasser-Ablassleitung
(40) angebracht sein, um den Auslassdruck des Kühlmittels
zu steuern. Das Ventil (38) kann aktiviert oder gesteuert
werden in Reaktion auf Output von einem Messgerät, welches eine Eigenschaft
des Kühlmittels misst,
z.B. ein Wasserdruckmessgerät
(42), welches in der Kühlmittelablassleitung
installiert ist. Das Ventil kann auch aktiviert werden oder gesteuert
werden in Reaktion auf Output von einem Messgerät, welches eine Eigenschaft
des Oxidationsmittels misst, z.B. ein Gasdruckmessgerät (44),
welches in der Oxidationsmittelabgasleitung (45) installiert
ist. Falls gewünscht,
kann das Ventil (38) gemäß einer Kombination von Messgeräten gesteuert
werden, welche sowohl eine Kühlmitteleigenschaft
als auch eine Oxidationsmitteleigenschaft oder eine andere Reaktanteneigenschaft
messen. Das Ablesen von den verschiedenen Messgeräten kann
in einem Mikroprozessor (46) verglichen werden, um beispielsweise
die Druckdif ferenz zwischen Kühlmittel
und Oxidationsmittel an ihren entsprechenden Auslässen zu überprüfen. Falls
gewünscht,
kann eine zweite Drucksteuereinrichtung, z.B. ein pneumatisches
Ventil (nicht gezeigt), in der Oxidationsmittelabgasleitung (45)
angeordnet sein, um den Oxidationsmittel-Auslassdruck zu steuern,
anstelle von oder zusätzlich
zu dem Ventil (38) in der Kühlmittelleitung.
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7 zeigt
eine Ausführungsform
einer Platte (20) mit zwei unabhängigen Kühlmittel-Strömungspassagen
(24a) und (24b). Die erste Passage (24a) ist
serpentinenartig zwischen einem ersten Kühlmitteleinlass-Verzweigungssystem
(34a) und einem ersten Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem
(36a) angeordnet. Die zweite Kühlmittelpassage (24b)
ist in serpentinenartiger Weise zwischen einem zweiten Kühlmitteleiniass-Verzweigungssystem
(34b) und einem zweiten Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem
(36b) angeordnet. Eine einzelne Oxidationsmittel-Strömungspassage
(22) ist in serpentinenartiger Weise zwischen einem Oxidationsmitteleinlass-Verzweigungssystem
(30) und einem Oxidationsmittelauslass-Verzweigungssystem
(32) angeordnet. Die erste Kühlmittelpassage (24)
ist dem Stromaufwärtsbereich
der Oxidationsmittelpassage (22) benachbart angeordnet,
und die zweite Kühlmittelpassage
(24b) ist dem Stromabwärtsbereich
der Oxidationsmittel-Strömungspassage
benachbart angeordnet.
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Die
Ausführungsform
von 7 zeigt, dass jede Querung des Oxidationsmittelkanals
zwischen zwei Querungen von einem der Kühlmittelkanäle verwoben ist. Beispielsweise
ist die Querung (22a) des Oxidationsmittelkanals zwischen
den Kühlmittelquerungen
(25a) und (25b). Falls notwendig oder erwünscht, kann
eine der Kühlmittelquerungen
näher an
der Oxidationsmittelguerung angeordnet sein, um einen größeren Einfluss
auf das Druckprofil relativ zu dem benachbarten Oxidationsmittelkanal
zu haben. Falls daher eine Anordnung mit gemeinsamer Strömungsrichtung
erwünscht
ist, können
die Kühlmittelquerungen,
bei welchen sich die Strömung
in die gleiche Richtung wie das Oxidationsmittel bewegt, näher an dem
Oxidationsmittelkanal angeordnet sein als die Kühlmittelquerungen, deren Strömungen entgegengesetzt
zur Richtung der Oxidationsmittelströmung strömt. Beispielsweise kann in 7 die
Kühlmittelquerung
bzw. -passage (25b) näher
an der Oxidationsmittelquerung bzw. -passage (22a) angeordnet
sein, um die Eigenschaften der gemeinsamen Strömung zu erreichen.
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8 zeigt
das Druckprofil für
Betrieb mit gemeinsamer Strömung
des Drucks in der ersten Kühlmittelpassage
(24a), der zweiten Kühlmittelpassage
(24b) und der Oxidationsmittelpassage (22) der in 7 gezeigten
Ausführungsform.
Der Kühlmitteldruck
in der ersten Passage (24a) ist höher als der Oxidationsmitteldruck,
daher wird flüssiges
Kühlmittelwasser
in den Stromaufwärtsbereich
der Oxidationsmittelpassage (22) über die poröse Platte geliefert, um das
Oxidationsmittel zu befeuchten. Der Kühlmitteldruck in der zweiten
Kühlmittelpassage (24b)
ist geringer als der Oxidationsmitteldruck, so dass überschüssiges flüssiges Wasser
im Stromabwärtsbereich
von Kanal (22) in den Kühlmittelkanal (24b) über die
poröse
Platte gezwungen wird. Ein Vorteil dieser Anordnung ist, dass die
Drücke
in jeder Kühlmittelpassage
unabhängig
voneinander gesteuert werden können,
d.h. der Druck in einer Passage kann geändert werden, ohne den Druck
in der anderen Passage zu beeinflussen. Das in 8 gezeigte Druckprofil
kann auch vorteilhaft in Anwendungen sein, bei welchen eine stufenförmige Veränderung des
Druckprofils erwünscht
ist.
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9 zeigt
eine Ausführungsform,
bei welcher die erste und zweite Kühlmittelpassage (24a) bzw.
(24b) für
Gegenstrombetrieb relativ zur Gesamtrichtung der Oxidationsmittelströmung in
der Passage (22) angeordnet sind. Für Gegenstrombetrieb können die
Kühlmittelquerpassagen,
deren Strömung
sich in einer Richtung entgegengesetzt zur Oxidationsmittelströmung bewegt,
näher an
den Oxidationsmittel-Querpassagen angeordnet werden als die Kühlmittel-Querpassagen,
deren Strömung
sich in die gleiche Richtung wie die Oxidationsmittelströmung bewegt.
Die Oxidationsmittelpassage ist in serpentinenartiger Weise zwischen
einem Oxidationsmitteleinlass-Verzweigungssystem (30) und
einem Oxidationsmittelauslass-Verzweigungssystem (32) angeordnet.
Die erste Kühlmittelpassage
(24a) ist mit einem ersten Kühlmitteleinlass-Verzweigungssystem (34a)
und einem ersten Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem
(36a) angeordnet. Die zweite Kühlmittelpassage (24b)
ist mit einem zweiten Kühlmitteleinlass-Verzweigungssystem
(34b) und einem zweiten Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem
(36b) angeordnet.
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10 stellt
grafisch ein Druckprofil zwischen den Drücken in der ersten Kühlmittelpassage (24a),
der zweiten Kühlmittelpassage
(24b) und der Oxidationsmittelpassage (22) der
in 9 gezeigten Ausführungsform mit Gegenstrombetrieb
dar. Die Größenordnung
der positiven Druckdifferenz nimmt in Richtung der Oxidationsmittelströmung im
Stromaufwärtsbereich
des Oxidationsmittelkanals ab, während
die Größenordnung
der negativen Druckdifferenz in Richtung der Oxidationsmittelströmung im Stromabwärtsbereich
des Oxidationsmittelkanals abnimmt. Ein Druckprofil mit einer Positiven
Differenz im Stromaufwärtsbereich
und der negativen Druckdifferenz im Stromabwärtsbereich wird jedoch immer noch
aufrechterhalten.
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11 zeigt
schematisch eine Ausführungsform
einer Brennstoffzelleneinheit (10) mit zwei unabhängigen Kühlmittelkanälen (24a)
und (24b) und einem Oxidationsmittelkanal (22).
Die vorangehend genannten Kanäle
sind so angeordnet, dass Kanal (24a) einem Stromaufwärtsbereich
des Oxidationsmittelkanals benachbart angeordnet ist und Kanal (24b)
einem Stromabwärtsbereich
des Oxidationsmittelkanals benachbart angeordnet ist. Kühlmittel strömt in die
Brennstoffzelleneinheit durch Kühlmittel-Einlassleitungen
(39a) und (39b), Oxidationsmittel strömt durch
eine Oxidationsmittel-Einlassleitung (41), und Brennstoff
strömt
durch eine Brennstoff-Einlassleitung (43) ein. Der Kanal
(24) endet als Sackgasse, während sich der Kanal (24b)
zwischen dem Einlass- und Auslass-Verzweigungssystem (nicht gezeigt)
erstreckt. In der Sackgassenanordnung endet der Kühlmittelkanal
(24a) in der umgebenden Plattenstruktur beim Punkt (48),
anstatt sich in das Auslass-Verzweigungssystem zu öffnen. In
einem Kanal mit einem sackgassenartigen Ende wird typischerweise
das gesamte Kühlmittel
durch das Plattenmaterial und in die Oxidationsmittelpassagen gezwungen.
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12 zeigt
grafisch das Druckprofil zwischen den Kühlmitteldrücken in den Kühlmittelkanälen (24a)
und (24b) und dem Oxidationsmitteldruck im Kanal (22)
der Ausführungsform
von 11. Der Kühlmitteldruck
ist relativ konstant in dem sackgassenartigen Kanal (24a),
und das gesamte Kühlmittelwasser
strömt
in die Oxidationsmittelpassagen (22) durch die poröse Platte,
um den Strom aufwärtsbereich
der Oxidationsmittelkanäle
zu befeuchten. Die sackgassenartige Anordnung kann verwendet werden,
falls es erwünscht
ist, Stromabwärtskomponenten,
beispielsweise Ablassleitungen und Drucksteuerungsventile, zu eliminieren.
Beispielsweise können die
Strömungsrate
und der Druck des einströmenden Kühlmittels
in der sackgassenartigen Passage gesteuert werden mit einer einfachen
Dosierungspumpe (nicht gezeigt). Es könnte jedoch immer noch wünschenswert
sein, die Stromabwärtskomponenten des
zweiten Kühlmittelkanals
beizubehalten, welcher nicht sackgassenartig endet, wie auch die
des Oxidationsmittelkanals. Solche Komponenten können beispielsweise ein hydraulisches
Ventil (38), eine Kühlmittelwasser-Ablassleitung
(40), ein Wasserdruckmessgerät (42), ein Oxidationsmittel-Druckmessgerät (44)
und einen Mikroprozessor (46) umfassen.
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Wie
dargestellt, kann die Ausführungsform von 11 zwei
Kühlmittelpumpen
(nicht gezeigt) aufweisen, eine für Kühlmittel, welches in die Passage
(24a) einströmt,
und eine für
Kühlmittel,
welches in die Passage (24b) einströmt. Falls erwünscht, kann
eine einzelne Pumpe verwendet werden. In einer solchen Ausführungsform
liefert die Pumpe Kühlmittel
an die Passage (24b), und das abgegebene Kühlmittel
von der Passage (24b) kann zur Passage (24a) zurück zirkuliert
werden über
eine geeignete Kombination aus Komponenten, z.B. Ventilen und Wärmetauschern
(nicht gezeigt). Dieser Ansatz mit einer einzelnen Pumpe kann in
anderen Ausführungsformen
verwendet werden, welche zwei oder mehr Kühlmittelkreisläufe haben,
selbst wenn einer dieser Kühlmittelkanäle nicht
sackgassenartig endet.
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13 zeigt
eine Ausführungsform
einer Platte (20), welche drei Materialschichten aufweist. Die
erste Schicht bzw. Zentralschicht (20a) ist eine flache
Platte aus einem leitenden porösen
Material, welches sandwichartig zwischen den äußeren Schichten (20b)
und (20c) ist. Die zweite und dritte Schicht ist ebenfalls
aus leitenden porösen
Materialien gemacht und kann gestanzte Oxidationsmittel-Strömungskanäle (22)
und Kühlmittel-Strömungskanäle (24)
haben. Die Porengrößen in der
Schicht (20a) haben im Schnitt typischerweise weniger als
10 μm in
Systemen mit einem Blasendruck von bis zu ca. 10 kPa. Die Porendurchmesser
der äußeren Schichten
(20b) und (20c) sind größer als die Porendurchmesser
in der ersten Schicht (20a). Das kann zu besserer Wasserpermeabilität durch
die zweite und dritte Schicht führen,
während
eine ausreichende Nassdichtung in der ersten Schicht oder Zentralschicht
erhalten bleibt. Diese Anordnung ermöglicht, dass die Dicke der äußeren Schichten
erhöht
wird, falls beispielsweise notwendig für strukturelle Verstärkung, ohne
die gewünschten
Wasserpermeabilitätseigenschaften
zu verlieren.
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14 zeigt
eine Ausführungsform,
bei welcher eine kathodenseitige Reaktanten-Verteilungsplatte (siehe 1,
Bezugszeichen 20) und eine anodenseitige Reaktanten-Verteilungsplatte
(siehe 1, Bezugszeichen 26) in eine einzelne
Plattenstruktur (52) integriert sind. Die Platte (52)
hat fünf Schichten.
Zwei der Schichten (52a) und (52b) sind aus leitendem
porösen
Material gemacht. Die anderen drei Schichten sind eine Kathodenschicht
(52c), eine Mittelschicht (52d) und eine Anodenschicht (52e).
Diese haben eingestanzte Oxidationsmittelkanäle (22), Kühlmittelkanäle (24)
bzw. Brennstoffkanäle
(28). Die Verwendung von drei Platten mit eingestanzten
Kanälen
oder Passagen ermöglicht
kurze Herstellungszeiten, da die beiden Reaktanten-Verteilungsplatten
als eine einzelne Einheit gebildet werden und die Kanäle nicht-spanend
eingearbeitet werden müssen.
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15 ist
eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage
(6) mit einer Zellenstapelanordnung (8) und einem
Kühlmittelkreislauf
(53). Der Kreislauf (53) kann eine Wasserpumpe
(54), einen Wasserspeicher (56) und Wärmetauscher
(58) in Reihe in einer Kühlmittelwasser-Ablassleitung
(40) haben. Der Speicher (56) kann mit einer Druckluftleitung
(60) und einem Rückschlagventil
(62) ausgestattet sein.
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16 zeigt
grafisch das Druckprofil zwischen dem Kühlmittelwasser und Oxidationsmittelgas
in der Ausführungsform
von 15. Die Wasserpumpe (54) erzeugt einen
Niederdruckzustand, um Kühlmittel
aus dem Zellenstapel (8) zu ziehen und den Druck am Kühlmitelauslass
unterhalb des Umgebungsdrucks zu halten. Der Speicher (56)
wird über die
Druckluftleitung (60) unter Druck gesetzt, und sein Druck
wird durch das Rückschlagventil
(62) kontrolliert. Wasser vom Speicher kann zurück in die
Zellenstapelanordnung über
den Wärmetau scher
(58) geleitet werden, um insgesamt das Wassermanagement
des Systems zu unterstützen.
Diese Anordnung verwirklicht ein Druckprofil mit einem (+dP) im
Stromaufwärtsbereich
des Oxidationsmittelkanals und einem (+dP) Stromabwärtsbereich
des Oxidationsmittelkanals, welche durch einen Übergangsbereich beim Punkt
D1 getrennt sind. Diese Ausführungsform kann
die Anforderung an den notwendigen Oxidationsmittel-Einlassdruck
absenken, wodurch Verluste aus parasitischen Leistungsanforderungen
verringert werden.
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17 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform von einer Platte
(20) mit einem Kühlmittelkanal
(24), der mit einem Strömungswiderstand
(35) ausgestattet ist. Der Kühlmittelkanal überquert
die Platte (20) zweimal und erstreckt sich von einem Kühlmitteleinlass-Verzweigungssystem
(34) zu einem Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem (36).
Der Oxidationsmittelkanal (22) erstreckt sich von einem
Oxidationsmitteleinlass-Verzweigungssystem (40) zu einem
strömungsumkehrenden
Verzweigungssystem (66). Luft oder Sauerstoff, welcher in
das strömungsumkehrende
Verzweigungssystem gerät,
wird über
den Kanal (22a) zum Oxidationsmittelauslass-Verzweigungssystem
gebracht. Der Strömungswiderstand
(35) wird an der gewünschten
Stelle in der Kühlmittelpassage
angebracht, abhängig von
der Größe der Zone
mit verbesserter Befeuchtung, welche benötigt wird. Wie in 17 gezeigt, kann
er näher
an dem Kühlmitteleinlass
(34) als an dem Auslass (36) platziert werden,
damit die Stromaufwärtszone
mit verbesserter Befeuchtung kleiner als der Stromabwärtsbereich
der Kühlmittelpassage ist.
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Ein
Vorteil der in 17 gezeigten Ausführungsform
ist, dass die Kanalanordnung verbesserte Kühlung des Oxidationsmittels
in der Nähe
des Oxidationsmittelauslasses (32) bietet. Das Kühlmittel
gelangt durch einen Kühlmitteleinlassbereich
(61), direkt nachdem es das Kühlmitteleinlass-Verzweigungssystem
(34) verlässt,
welcher die Zone mit verbesserter Befeuchtung überlagert, und wo das Kühlmittel
in den relativ trockenen Reaktanten hinein verdampft, welcher vom
Einlass-Verzweigungssystem (30) einströmt. Das Verdampfen senkt die
Temperatur des Kühlmittels
ab.
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Das
Kühlmittel
gelangt dann in einen Zwischenbereich (64) des Kühlmittelkanals,
nachdem es durch den Strömungswiderstand
(35) strömt,
wo es kühler
ist als es beim Einströmen
in den Kühlmittel-Einlassbereich
war aufgrund des Kühlungsverdampfungseffekts.
Die Oxidationsmittel- und Kühlmittelkanäle sind
so angeordnet, dass das kühlere Kühlmittel
in der Nähe
des Luftauslass-Verzweigungssystems
(32) ist, was zu einem verbesserten Kühlen der Luft in der Nähe des Oxidationsmittelauslasses
führen
kann. Dies kann größere Kondensation von
Wasserdampf aus dem Luftstrom in der Nähe des Luftauslasses (32)
bewirken, welches durch eine negative Druckdifferenz (–dP) zurück in den
Kühlmittelkreislauf
gezwungen werden kann, wodurch mehr Wasser im System zurückgehalten
wird und bei dem Halten der Wasserbilanz der vollständigen Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage
hilft. In 18 ist ein Druckprofil gezeigt,
welches mit der Ausführungsform
von 17 erreicht werden kann.
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19 zeigt
eine Ausführungsform
einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (6), bei welcher
ein Gassensor (68) in der Kühlmittelablassleitung (40)
und ein Feuchtigkeitssensor (70) in der Oxidationsmittel-Ausgangsleitung
(45) installiert ist. Der Feuchtigkeitssensor kann auch
im Umkehrverzweigungssystem (66), welches in 17 gezeigt ist,
angeordnet sein. Der Gassensor kann beispielsweise ein Leitfähigkeitssensor
oder ein Ultraschall-Strömungsmessgerät sein.
Der Kühlmittelablassdruck
kann durch ein Ventil (38) in Reaktion auf ein Signal von
der Gasdetektionseinrichtung angepasst werden. So kann beispielsweise
die Größenordnung
der negativen Druckdifferenz (wo der Kühlmitteldruck geringer als
der Oxidationsmitteldruck ist) verringert werden, wenn Gas im Kühlmittelabgas nachgewiesen
wird. Der Auslassdruck der Kühlmittelströmung kann
auch gesteuert werden, basiert auf dem Signal vom Feuchtigkeitssensor,
um beispielsweise die Größenordnung
einer positiven Druckdifferenz (bei welcher der Kühlmitteldruck
höher als
der Oxidationsmitteldruck ist) zu vergrößern, falls geringe Feuchtigkeit
in dem abgeführten
Oxidationsmittel nachgewiesen wird. Ein pneumatisches Ventil (nicht gezeigt)
kann auch in der Oxidationsmittel-Abgasleitung (45) platziert
werden und in ähnlicher
Weise verwendet werden, um das Druckprofil in Reaktion auf eine
gemessene Eigenschaft oder Eigenschaften von Oxidationsmittel und
flüssigem
Kühlmittel
zu steuern.
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Beim
Betrieb eines Systems mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung
können
Reaktanten, z.B. Wasserstoff und Luft oder Sauerstoff, zu Einlass-Verzweigungssystemen
bei gewählten
Einlassdrücken
unter Verwendung von in der Technik bekannten Mitteln, z.B. Kompressoren,
Gebläse, Ventilatoren
und Druckluftflaschen (nicht gezeigt), geliefert werden. In ähnlicher
Weise kann flüssiges Kühlmittel
zu Einlass-Verzweigungssystemen mit einem gewählten Einlassdruck geliefert
werden unter Verwendung von Mitteln, welche in der Technik bekannt
sind, z.B. Pumpen (nicht gezeigt) und Speicher, welche durch komprimierte
Luft aktiviert werden. Die Zellenstapelanordnung kann mit Reaktanten-
und Kühlmittelkanälen konstruiert
werden, die ausgelegt sind, erwünschten
Druckabfälle
zu ermöglichen.
Zusätzlich
zu den Größen der
Kanäle
können Mittel
an Reaktanten- und Kühlmittelauslässen angeordnet
werden, um die Auslassdrücke
zu steuern. Solche Mittel können
beispielsweise Ventile sein, um Gegendruck zu erzeugen und Pumpen
oder Kompressoren etc., welche verwendet werden, um Niederdruckbedingungen
an den Auslässen
zu erzeugen.
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Die
Einlass- und Auslassdrücke
der Reaktanten und des Kühlmittels
werden gesteuert unter Verwendung verschiedener Kombinationen der
genannten Ansätze,
um ein Druckprofil mit einer positiven Druckdifferenz im Stromaufwärtsbereich
des Reaktantenkanals und einer negativen Druckdifferenz im Stromabwärtsbereich
des Reaktantenkanals zu schaffen. Verschiedene Kombinationen der
genannten Ansätze
können
verwendet werden, um die Größenordnung
der positiven und negativen Druckdifferenz anzupassen und um ein
Druckprofil zu ermöglichen,
welches das Aufrechterhalten einer geeigneten Wasserbilanz innerhalb
einer Brennstoffzelle unterstützt.
Solche Anpassungen können
in Reaktion auf sich verändernde
oder vorübergehende
Leistungsanforderungen vorgenommen werden, welche an die Brennstoffzelle
gestellt werden, wie auch in Reaktion auf gemessene Eigenschaften
der Reaktanten und des Kühlmittels.
Falls notwendig oder erwünscht, können verschiedene
Kombinationen der genannten Mittel mit einem oder mehreren Mikroprozessoren verbunden
und von diesen auf eine in der Technik bekannte Weise gesteuert
werden.
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Verschiedene
Veränderungen
und Hinzufügungen
können
zu den hier beschriebenen Ausführungsformen
gemacht werden, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Während die
hier beschriebenen Ausführungsformen
hauptsächlich
bezüglich einer
Oxidationsmittel-Strömungsplatte
diskutiert werden, können
sie beispielsweise auch bei einer Brennstoff-Strömungsplatte verwendet werden. Während die
Druckprofile hauptsächlich
bezüglich der
Druckdifferenzen zwischen dem Kühlmittel
und Oxidationsmittel beschrieben wurden, können ebenfalls Druckprofile
zwischen Kühlmittel
und dem Brennstoff eingestellt werden. Weitere Konstruktionsdetails,
z.B. die Verwendung von internen oder externen Verzweigungssystemen
(oder eine Kombination aus beiden) und die Anzahl von in einem Strömungsfeld
verwendeten Querungen bzw. Querpassagen können entsprechend der Erfordernisse
einer jeweiligen Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagenkonstruktion
variieren. Während
das Kühlmittel
hier als flüssiges
Wasser beschrieben wurde, ist auch angedacht, dass das Kühlmittel
Frostschutzlösungen
sein kann, welche für
die Verwendung in PEM-Brennstoffzellen geeignet sind.
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Zusammenfassung
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Verfahren
zum Betreiben einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage. Die
Brennstoffzelle kann eine Reaktantenpassage (22) mit einem
Stromaufwärtsbereich
und einem Stromabwärtsbereich zum
Bereitstellen eines Reaktanten an einen Elektrolyten (14),
mindestens eine Flüssigkeitspassage
(24) und eine Platte aufweisen, welche aus einem porösen Material
gemacht ist, welches flüssigkeitspermeabel
und leitend ist. Das poröse
Material trennt die Reaktantenpassage und die Flüssigkeitspassage. Ein Druckprofil
wird gesteuert, um eine positive Druckdifferenz im Stromaufwärtsbereich
und eine negative Druckdifferenz im Stromabwärtsbereich zu ermöglichen.
Eine positive Druckdifferenz ist eine, bei welcher der Flüssigkeitsdruck
höher als
der des Reaktanten ist. Eine negative Druckdifferenz ist eine, bei
welcher der Flüssigkeitsdruck
geringer als der des Reaktanten ist. Das Druckprofil kann verwendet werden,
um verbesserte Befeuchtung des Reaktanten im Stromaufwärtsbereich
und effektives Entfernen von flüssigem
Wasser im Stromabwärtsbereich zu
ermöglichen,
um sowohl die Leistung als auch die Lebensdauer der Brennstoffzelle
zu maximieren.