DE10393841T5 - Brennstoffzellensystem mit verbessertem Befeuchtungssystem - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit verbessertem Befeuchtungssystem Download PDF

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Soichiro Kawasaki Shimotori
Yasuji Yokohama Ogami
Michael I. South Glastonbury Perry
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Toshiba International Fuel Cells Corp
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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit mindestens einer Reaktantenpassage zum Liefern von Reaktanten zu einem Elektrolyten, mindestens einer Flüssigkeitspassage und einem porösen Material, welches flüssigkeitspermeabel und leitend ist und die mindestens eine Reaktantenpassage und die mindestens eine Flüssigkeitspassage trennt, wobei das Verfahren aufweist:
Strömenlassen eines Reaktanten in die mindestens eine Reaktantenpassage mit einem einem Reaktantenpassageneinlass benachbarten Stromaufwärtsbereich und einem einem Reaktantenpassagenauslass benachbarten Stromabwärtsbereich;
Strömenlassen einer Flüssigkeit in die mindestens eine Flüssigkeitspassage und;
Steuern eines Druckprofils, um eine positive Druckdifferenz im Stromaufwärtsbereich und eine negative Druckdifferenz im Stromabwärtsbereich zu definieren, wobei die positive Druckdifferenz die Flüssigkeit in die Flüssigkeitspassage durch das poröse Material und in den mindestens einen Teil des Stromaufwärtsbereich zwingt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Querschnitt-Endansicht der internen Anordnung in einer Zellenstapelanordnung;
  • 2 ist eine teilweise schematische Draufsicht auf eine Reaktantenverteilungsplatte mit Kühlmittel und Oxidationsmittelkanälen, welche gerade und parallel sind;
  • 3 zeigt grafisch das Druckprofil zwischen dem Oxidationsmitteldruck und Kühlmitteldruck für die Ausführungsformen von 1 und 2;
  • 4 ist eine partielle schematische Draufsicht auf eine Reaktantenverteilungsplatte mit serpentinenförmigen Oxidationsmittel- und Kühlmittelkanälen, weiche für Betrieb mit gemeinsamer Strömung angeordnet sind;
  • 5 ist eine teilweise schematische Draufsicht auf eine Reaktantenverteilungsplatte mit serpentinenförmigen Oxidationsmittel- und Kühlmittelkanälen, welche für Betrieb mit Gegenströmung ausgerichtet sind;
  • 6 ist eine schematische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit mit einer Einrichtung zum Steuern des Auslassdrucks des Kühlmittels;
  • 7 ist eine partielle schematische Draufsicht einer Reaktantenverteilungsplatte mit zwei unabhängigen Kühlmittel-Strömungspassagen;
  • 8 zeigt grafisch das Druckprofil zwischen den Kühlmittel- und Oxidationsmitteldrücken für die in 7 gezeigte Ausführungsform;
  • 9 ist eine teilweise schematische Draufsicht einer Reaktantenverteilungsplatte mit zwei unabhängigen Kühlmittel-Strömungspassagen, welche für Betrieb mit Gegenströmung angeordnet sind;
  • 10 zeigt grafisch das Druckprofil zwischen den Kühlmittel- und Oxidationsmitteldrücken der in 9 gezeigten Ausführungsform;
  • 11 ist eine schematische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit mit zwei unabhängigen Kühlmittelkanälen, von welchen einer sackgassenartig endet;
  • 12 zeigt grafisch das Druckprofil zwischen den Kühlmittel- und Oxidationsmitteldrücken für die in 11 gezeigte Ausführungsform;
  • 13 ist eine Querschnittsendansicht einer porösen Reaktantenverteilungsplatte, welche drei Materialschichten aufweist;
  • 14 it eine Querschnitt-Endansicht einer Reaktantenverteilungsplatte, welche fünf Materialschichten aufweist;
  • 15 ist eine schematische Ansicht einer Brennstoffzelle mit einem Kühlmittelwasserkreislauf;
  • 16 zeigt grafisch das Druckprofil zwischen Kühlmittel und Oxidationsmittel in der Ausführungsform von 15;
  • 17 ist eine schematische Draufsicht einer Reaktantenverteilungsplatte mit einem Strömungswiderstand in einer Kühlmittelpassage; und
  • 18 zeigt grafisch das Druckprofil zwischen dem Kühlmittel und dem Oxidationsmittel in der Figur von 17; und
  • 19 ist eine schematische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit mit einem Gassensor und einem Feuchtigkeitssensor.
  • AUSFÜHRUNGSART(EN) DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zusammenfassung
  • 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.

Claims (19)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit mindestens einer Reaktantenpassage zum Liefern von Reaktanten zu einem Elektrolyten, mindestens einer Flüssigkeitspassage und einem porösen Material, welches flüssigkeitspermeabel und leitend ist und die mindestens eine Reaktantenpassage und die mindestens eine Flüssigkeitspassage trennt, wobei das Verfahren aufweist: Strömenlassen eines Reaktanten in die mindestens eine Reaktantenpassage mit einem einem Reaktantenpassageneinlass benachbarten Stromaufwärtsbereich und einem einem Reaktantenpassagenauslass benachbarten Stromabwärtsbereich; Strömenlassen einer Flüssigkeit in die mindestens eine Flüssigkeitspassage und; Steuern eines Druckprofils, um eine positive Druckdifferenz im Stromaufwärtsbereich und eine negative Druckdifferenz im Stromabwärtsbereich zu definieren, wobei die positive Druckdifferenz die Flüssigkeit in die Flüssigkeitspassage durch das poröse Material und in den mindestens einen Teil des Stromaufwärtsbereich zwingt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, aufweisend das Messen einer Eigenschaft von mindestens der Flüssigkeit und dem Reaktanten, und Steuern des Druckprofils in Erwiderung auf die gemessene Eigenschaft.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, aufweisend Steuern des Druckprofils, um einen Flüssigkeitsauslassdruck bereitzustellen, welcher unterhalb eines Umgebungsdrucks am Auslass einer Flüssigkeitspassage ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, aufweisend das Bereitstellen einer stufenweisen Veränderung des Druckprofils.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, aufweisend Messen einer Eigenschaft von mindestens einem von Flüssigkeit und Reaktant und Steuern des Druckprofils in Reaktion auf die gemessene Eigenschaft.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, aufweisend Steuern des Druckprofils, um einen Flüssigkeitsauslassdruck bereitzustellen, welcher unterhalb eines Umgebungsdrucks an einem Auslass einer Flüssigkeitspassage ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, aufweisend Strömenlassen von Flüssigkeit durch einen Strömungswiderstand in der mindestens einen Flüssigkeitspassage.
  8. Verfahren nach Anspruch 4, aufweisend Strömenlassen einer ersten Flüssigkeitsströmung in eine erste Flüssigkeitspassage, benachbart dem Stromaufwärtsbereich bei einem ersten Flüssigkeitsdruck und Strömenlassen einer zweiten Flüssigkeitsströmung in eine zweite Flüssigkeitspassage, benachbart dem Stromabwärtsbereich bei einem zweiten Flüssigkeitsdruck, wobei der erste Flüssigkeitsdruck höher als der zweite Flüssigkeitsdruck ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, aufweisend Strömenlassen der Flüssigkeit in der ersten Flüssigkeitspassage zu einem Sackgassen-Auslass.
  10. Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, welche betreibbar ist mit einem ersten Reaktanten, einem zweiten Reaktanten und einem flüssigen Kühlmittel, mit einem verbesserten Befeuchtungssystem, aufweisend: eine Membranelektrodenanordnung mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode; eine Reaktanten-Verteilungsplatte mit einem porösen Material, welches flüssigkeitspermeabel ist, der Membranelektrodenanordnung benachbart ist, mit einem ersten Reaktantenkanal, welcher der ersten Elektrode zugewandt ist, und einem Flüssigkeitskühlmittelkanal, welcher von dem ersten Reaktantenkanal durch das poröse Material getrennt ist; wobei der erste Reaktantenkanal einen Stromaufwärtsbereich, einen Stromabwärtsbereich und einen Übergangsbereich zwischen dem Stromaufwärtsbereich und dem Stromabwärtsbereich hat; wobei die Reaktanten-Verteilungsplatte eine Stufeneinrichtung zum Zurverfügungstellen einer stufenweisen Veränderung in einem Druckprofil hat, wobei die Stufeneinrichtung in der Reaktantenplatte so positioniert ist, dass die stufenweise Änderung dem Übergangsbereich benachbart stattfindet.
  11. Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 10, bei welcher der Übergangsbereich einem Rand eines aktiven Bereichs der Membranelektrodenanordnung benachbart ist.
  12. Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 10, bei welcher das poröse Material hydrophil ist und eine maximale Porengröße von weniger als ca. 10 μm hat.
  13. Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 12, bei welcher die Reaktantenverteilungsplatte eine zentrale Schicht aus porösem Material, eine erste äußere Schicht und eine zweite äußere Schicht hat, wobei die erste äußere Schicht und die zweite äußere Schicht eine äußere durchschnittliche Porengröße haben, welche größer ist als die zentrale durchschnittliche Porengröße der zentralen Schicht.
  14. Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 10, bei welcher die Reaktantenverteilungsplatte eine Kathodenschicht, eine entgegengesetzt angeordnete Anodenschicht und eine Mittelschicht zwischen der Kathodenschicht und der Anodenschicht hat, wobei sich der erste Reaktantenkanal in der Kathodenschicht befindet, ein zweiter Reaktantenkanal sich in der Anodenschicht befindet und der Flüssigkeitskühlmittelkanal sich in der Mittelschicht befindet und von dem ersten Reaktantenkanal und dem zweiten Reaktantenkanal durch poröses Material getrennt ist.
  15. Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 10, aufweisend eine Einrichtung zum Steuern eines Druckprofils in Reaktion auf eine gemessene Eigenschaft von mindestens einem von Kühlmittel, erstem Reaktant und zweitem Reaktant.
  16. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, mit einer Membranelektrodenanordnung mit einem aktiven Bereich, einer der Membranelektrodenanordnung benachbarten Platte, welche ein poröses Material aufweist, wobei die Platte einen Reaktantenkanal und einen Kühlmittelkanal hat, wobei der Reaktantenkanal einen Reaktant zu dem aktiven Bereich liefert und von dem Kühlmittelkanal durch das poröse Material getrennt ist, aufweisend: Strömenlassen eines Reaktanten in den Reaktantenkanal; Strömenlassen eines Kühlmittels in den Kühlmittelkanal; Bereitstellen einer positiven Druckdifferenz in einem Stromaufwärtsbereich des Reaktantenkanals, um eine Zone mit verbesserter Befeuchtung zu erzeugen; Bereitstellen einer neutralen Druckdifferenz in einem Übergangsbereich des Reaktantenkanals; Bereitstellen einer negativen Druckdifferenz in einem Stromabwärtsbereich des Reaktantenkanals.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, aufweisend das Bereitstellen der neutralen Druckdifferenz, einer Kante des aktiven Bereichs benachbart.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, aufweisend Strömenlassen von Kühlmittel durch einen Kühlmitteleinlassbereich bei einer ersten Temperatur und in einem Kühlmittelzwischenbereich bei einer zweiten Temperatur, wobei die zweite Temperatur geringer als die erste Temperatur ist, und Strömenlassen des Reaktanten durch einen Bereich mit verbesserter Kondensation benachbart dem Übergangsbereich.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, aufweisend Strömenlassen von Kühlmittel durch einen Strömungswiderstand, nachdem Kühlmittel den Kühlmitteleinlassbereich verlässt.
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