DE112004001104B4

DE112004001104B4 - Passives Wassermanagement für PEM-Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE112004001104B4
Application number: DE112004001104.3T
Authority: DE
Inventors: Albert P. Grasso; Glenn W. Scheffler; Leslie L. van Dine; Brian F. Dufner; Richard D. Breault
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2003-06-19
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2024-06-18
Also published as: JP2007524961A; US6916571B2; US20040258973A1; DE112004001104T5; WO2004114434A2; JP4684224B2; WO2004114434A3

Abstract

PEM-Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit passivem Wassermanagement, aufweisend: ein PEM-Brennstoffzellenstapel (11), aufweisend eine Mehrzahl von Brennstoffzellen, wobei jede der Brennstoffzellen eine Membranelektrodenanordnung mit einer Kathode auf einer Seite und einer Anode auf der anderen Seite haben, wobei die Kathode und Anode jeweils eine poröse Strömungsfeldplatte mit Reaktantengas-Strömungskanälen auf einer Oberfläche und Wasserströmungskanälen auf einer der einen Oberfläche entgegengesetzten Oberfläche aufweisen; gekennzeichnet durch mindestens ein Wasserauslassverzweigungssystem (34, 38) in der Nähe des oberen Endes des Brennstoffzellenstapels, wobei sich die Wasserströmungskanäle von dem Bereich des Bodens von jeder der Brennstoffzellen allgemein aufwärts zu dem mindestens einen Wasserauslassverzweigungssystem erstrecken, wodurch ermöglicht wird, dass Brennstoffreaktantengas, welches in die Wasserströmungskanäle auf der Anodenseite leckt, durch Bläschen-Pumpen Wasser in den Wasserkanälen auf der Anodenseite aufwärts zu dem mindestens einen Wasserauslassverzweigungssystem pumpt, und wodurch ermöglicht wird, dass Oxidationsmittel-Reaktantengas, welches in die Wasserströmungskanäle auf der Kathodenseite leckt, durch Bläschen-Pumpen Wasser in den Wasserkanälen auf der Kathodenseite aufwärts zu dem mindestens einen Wasserauslassverzweigungssystem pumpt; und mindestens eine Entlüftungseinrichtung (44), welche mit dem mindestens einen Wasserauslassverzweigungssystem verbunden ist (41 bis 43), um Entlüften von Brennstoff- und Oxidationsmittelgas von dem Brennstoffzellenstapel zu ermöglichen, wodurch Wassermanagement in dem Brennstoffzellenstapel ohne eine mechanische Pumpe erfolgt.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM), in welchem keine Wasserpumpe vorgesehen ist, wobei der Wassereinlass am Boden des Brennstoffzellenstapels ist und der Wasserauslass am oberen Ende des Brennstoffzellenstapels ist, mit oder ohne Wasserzirkulation, und mit Entlüften von Gasbläschen von Reaktantenlecks durch poröse Wassertransportplatten.
Stand der Technik
Konventionelle PEM-Brennstoffzellen können ein Wassermanagementsystem verwenden, welches poröse Wassertransportplatten aufweist, welche auf einer Seite Reaktantengas und Wasser auf der anderen Seite haben. Solche Systeme umfassen allgemein eine Wasserpumpe und einen Akkumulator, gemeinsam mit einem Gasseparator, welcher für effektives Pumpen mit kostengünstigen Pumpen erforderlich wird. Der Akkumulator beansprucht Platz, welcher knapp ist, insbesondere in elektrischen Fahrzeugen, welche durch eine Brennstoffzelle angetrieben sind. Außerdem ist die parasitische Leistungsanforderung der elektrischen Pumpe nachteilig für die Gesamteffizienz des Brennstoffzellenprozesses.
Wenn die Brennstoffzelle außerdem in Umgebungen verwendet werden soll, in welchen der Brennstoffzellenstapel unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser gelangen kann, ist das Entfernen von Wasser beim Abschalten erforderlich, was erleichtert ist, wenn weniger Wasser entfernt werden muss. Außerdem kann das Anfahren eines solchen Systems mit einer gefrorenen Pumpe und gefrorenen Leitungen extrem schwierig, wenn nicht unmöglich sein.
Die US 6,355,368 B1 betrifft ein Kühlverfahren und eine Vorrichtung zur Verwendung eines Brennstoffzellenstapels. Das System enthält einen Stapel an Brennstoffzellenströmungsplatten und einen Kondensator. Der Stapel an Brennstoffzellenströmungsplatten enthält Öffnungen um eine Einlass-Sammelrohr-Passage und eine Auslass-Sammelrohr-Passage zur Kommunikation eines Kühlmittels durch den Stapel auszubilden. Die Strömungsplatten können die thermische Energie zum Kühlmittel übertragen, um ein Kühlmittel von einem flüssigen Zustand zu einem gasförmigen Zustand umzuwandeln. Der Kondensator wandelt das Kühlmittel von dem gasförmigen Zustand zu dem flüssigen Zustand um.
Die US 6,306,530 B1 diskutiert ein System zum Verhindern einer Gastaschenbildung bzw. Gasblasen in einem PEM Kühlmittelströmungsfeld.
Die DE 696 08 106 T2 offenbart eine vereinfachte Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellen-Kraftanlage, die bei Umgebungsdruck oder bei einem höheren Druck als Umgebungsdruck arbeiten kann und die für die Verwendung sowohl in tragbaren bzw. mobilen und/oder stationären Kraftanlagen geeignet ist. Die stationäre oder mobile Festpolymerelektrolyt-Kraftanlage verwendet eine positive Druckdifferenz zwischen einem Reaktionsmittel-Strömungsfeld und dem Wasser-Strömungsfeld, um die Wassermigration innerhalb der Brennstoffzelleneinheiten in der Kraftanlage zu handhaben.
Aufgabenstellung
Beschreibung der Erfindung
Ziele der Erfindung umfassen einen PEM-Brennstoffzellenstapel, welcher keine mechanische Wasserpumpe oder einen Wasserakkumulator erfordert; eine PEM-Brennstoffzelle mit größerer Effizienz; eine PEM-Brennstoffzelle, welche besser geeignet ist für Verwendung in Umgebungen, in welchen es wahrscheinlich ist, dass die Temperatur den Brennstoffzellenstapel unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser bringt; einen PEM-Brennstoffzellenstapel mit reduzierter parasitischer Leitung; einen verbesserter PEM-Brennstoffzellenstapel.
Die Erfindung gründet teilweise auf der Erkenntnis, dass eine Brennstoffzelle mit porösen Wassertransportplatten etwas gefrorenes Wasser fast direkt nach dem Anfahren der Brennstoffzelle freigibt, wodurch das Erfordernis für Wasser in einem Akkumulator vermieden wird, womit außerdem das Erfordernis für eine Pumpe vermieden wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden PEM-Brennstoffzellenstapel mit Reaktantengas-Strömungsfeldern, Wasserströmungsfeldern und Kühlmittelströmungsfeldern, wobei das Kühlmittel eine Frostschutzlösung ist, ein passives Wassermanagement, das ohne mechanische Wasserpumpen oder andere hilfsweise Wasserbewegungseinrichtungen erreicht wird. Wie hier verwendet, bedeutet ”mechanische Pumpe” jede in der Technik bekannte Pumpe oder Turbine, z. B. Zentrifugalpumpen oder Pumpen mit positiver Verdrängung.
Ein Brennstoffzellenstapel der Erfindung wird ohne eine mechanische Wasserpumpe betrieben, indem man Reaktantengasbläschen, welche durch die porösen Platten in die Wasserströmung hinein lecken, durch eine Entlüftungseinrichtung entkommen lässt, die in Verbindung mit mindestens einem Wasserauslassverzweigungssystem oben an dem Stapel ist.
Gemäß einer Form der Erfindung haben die Wasserströmungsfelder, welche den Oxidationsmittelströmungsfeldern benachbart sind, Wassereinlassverzweigungssysteme und Wasserauslassverzweigungssysteme, welche getrennt sind von den Wassereinlass- und -auslassverzweigungssystemen der Wasserströmungsfelder, die den Brennstoffströmungsfeldern benachbart sind.
Gemäß einer Ausbildung der Erfindung wird Wasser, welches aus den Wasserauslassverzweigungssystemen austritt, durch Konvektion zu den Wassereinlassverzweigungssystemen zurückgeführt, wobei das Wasserpumpen durch Blasenpumpen unterstützt wird, d. h. dass das Fluid, welches in den Wasserkanälen strömt, eine geringere effektive Dichte aufgrund des Vorhandenseins von Gasblasen darin hat, während Wasser außerhalb des Stapels eine höhere Dichte aufgrund des Entlüftens von Gas daraus und aufgrund seiner kühleren Temperatur hat.
Eine Verbesserung verwendet ein hydrophobes Band oder hydrophobe Stellen in den porösen Platten, um das Lecken von Gas zu steuern, um somit ausreichende Strömung zu gewährleisten, um das Benetzen der porösen Platten zu ermöglichen.
Eine weitere Verbesserung verwendet einen Wärmetauscher (einen Kühler) im externen Bereich des Zirkulationskreislaufes, um eine Temperaturdifferenz zu schaffen, um ausreichende Strömung zu gewährleisten. In einer Ausführungsform dieser Form wird das Wasserniveau im Stapel gesteuert durch eine Steuerung, welche die Änderung des Wasserniveaus in einer Standleitung bezüglich eines Referenzniveaus überwacht, um die Kühlungsrate des Kühlmittels in den Kühlmittelkanälen und/oder die Strömungsrate von Wasser in den Wasserkanälen zu steuern, wie auch um die Gesamtwassermenge im System zu steuern. Gemäß einer weiteren Form der Erfindung gibt es keine externe Wasserströmung, wobei sich Wasser einfach vom Boden aufwärts anfüllt, bis es sich im gesamten Stapel ansammelt, wobei jeglicher Überschuss zusammen mit Reaktantengasblasen nach außen abgeleitet wird.
Ausführungsbeispiele
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser ersichtlich anhand der folgenden detaillierten Beschreibung ihrer beispielhaften Ausführungsformen, wie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine stilisierte Endansicht eines Brennstoffzellenstapels, welche die Strömung von Kühlmittel durch jede Zelle des Stapels darstellt.
2 ist eine stilisierte Endansicht eines Brennstoffzellenstapels, welche die Strömung von Wasser auf der Kathodenseite jeder Zelle darstellt.
3 ist eine stilisierte Endansicht eines Brennstoffzellenstapels, welche die Strömung von Wasser auf der Anodenseite jeder Brennstoffzelle darstellt.
4 ist eine stilisierte Endansicht eines Brennstoffzellenstapels mit einem externen Wasserzirkulationskreislauf.
5 ist eine stilisierte Endansicht eines Brennstoffzellenstapels mit einer Steuerung der Wasserströmung oder Kühlmittelströmung zur Steuerung der Wassermenge in dem Zellenstapel.
6 ist eine stilisierte Endansicht eines Brennstoffzellenstapels mit einem Druckregulator, um Wasserdruck über dem Umgebungsdruck zu ermöglichen.
7 ist eine alternative Ausführungsform, welche vertikale Wasserströmungskanäle und einen externen Wärmetauscher in dem Wasserzirkulationskreislauf verwendet.
8 ist eine alternative Ausführungsform mit vertikalen Strömungskanälen mit hydrophoben Bereichen, um ausreichende Gaslecks zu gewährleisten, um zu bewirken, dass Wasser in dem externen Zirkulationskreislauf strömt.
Art(en) der Ausführung der Erfindung
In einem in 1 dargestellten Brennstoffzellenstapel haben alle Fluide Multipassagen-Strömungsfelder. Insbesondere hat der Brennstoffzellenstapel 11 ein internes Kühlmitteleinlass-Verzweigungssystem 12 und ein internes Kühlmittelauslass-Verzweigungssystem 13. Das Kühlmittel fließt darin durch jede Brennstoffzelle 14 von dem Einlassverzweigungssystem 12 nach rechts, dann durch das Zentrum der Brennstoffzelle nach links, worauf es rechts in Richtung des Kühlmittelauslass-Verzweigungssystems 13 in allgemein S-förmigen Kanälen fließt, wobei die Strömungsrichtung durch die Pfeile und gepunkteten Linien in 1 dargestellt ist. Es kann in der Größenordnung von 18 bis 24 Kühlmittelkanälen in jeder der drei Kühlmittelströmungswege geben, welche durch die gepunkteten Linien von 1 dargestellt sind.
Die Brennstoffzelle hat ein Einlassverzweigungssystem 16 für Brennstoffreaktantengas, welche Wasserstoff oder eine wasserstoffreiche Strömung sein kann, welche durch Reformieren eines Kohlenwasserstoffs erhalten wurde. Brennstoffströmungsfelder in jeder Brennstoffzelle weisen Brennstoffströmungskanäle auf einer Fläche einer porösen Anodenplatte auf, welche sich zwischen den Verzweigungssystemen 16 und 17 und zwischen den Verzweigungssystemen 17 und 18 erstreckt. Brennstoff strömt von dem Brennstoffeinlassverzweigungssystem 16 nach rechts zu dem Brennstoffumkehrverzweigungssystem 17, wo es aufwärts fließt, worauf es nach links zu dem Brennstoffauslassverzweigungssystem 18 strömt; die nach rechts gerichteten und nach links gerichteten Strömungskanäle sind markiert durch eine horizontale Strich-Punkt-Linie in der Mitte der Brennstoffzelle.
Die Brennstoffzelle 11 hat auch ein Oxidationsmitteleinlass-Verzweigungssystem 21 für Oxidationsmittel-Reaktantengas, welches Sauerstoff sein kann, üblicherweise aber Luft ist, ein Luftumkehrverzweigungssystem 22 und ein Luftauslassverzweigungssystem 23 Oxidationsmittelströmungsfelder in jeder Brennstoffzelle umfassen Oxidationsmittelströmungskanäle, welche sich zwischen den Verzweigungssystemen 21 und 22 und zwischen den Verzweigungssystemen 22 und 23 erstrecken. Die Luft strömt von dem Oxidationsmitteleinlass-Verzweigungssystem 21 aufwärts zu dem Oxidationsmittelumkehr-Verzweigungssystem 22, wo sie nach links strömt und strömt dann abwärts zu dem Oxidationsmittelauslass-Verzweigungssystem 23, wobei die aufwärtigen und abwärtigen Strömungspassagen in 1 durch eine vertikale durchgezogene Linie in der Mitte der Brennstoffzelle 11 markiert sind.
In 2 hat der Brennstoffzellenstapel auch ein Wassereinlassverzweigungssystem 33 am Boden des Brennstoffzellenstapels 11 für Wasserströmungsfelder, welche von den Oxidationsmittelgasströmungsfeldern aus auf der entgegengesetzten Seite der porösen Platte sind. Es kann 16 bis 18 Wasserströmungskanäle in jeder der durch die horizontale gepunktete Linie in 2 markierten Passagen geben. Die Strömung des Wassers innerhalb der Wasserkanäle auf den Oxidationsmittelplatten von dem Einlassverzweigungssystem 33 bis zum Auslassverzweigungssystem 34 wird durch die Pfeile und gepunktete Linien in 2 dargestellt.
In 3 hat der Brennstoffzellenstapel 11 auch ein Wassereinlassverzweigungssystem 37 und ein Wasserauslassverzweigungssystem 38 für Wasserströmungsfelder, welche auf einer Oberfläche einer porösen Platte auf der anderen Seite der Fläche mit den Brennstoffreaktantengas-Strömungsfeldern sind. Die Strömung des Wassers in den Wasserkanälen auf den Brennstoffplatten von dem Wassereinlassverzweigungssystem 37 zu dem Wasserauslassverzweigungssystem 38 ist durch Pfeile und horizontale gepunktete Linien in 3 gezeigt. Es kann 12 bis 16 Wasserströmungskanäle in jedem der Strömungspassagen geben, welche durch die gepunkteten Linien in 3 bezeichnet sind.
In der Ausführungsform von 1 bis 3 wird Produktwasser von der Kathode durch die Ionenaustauschmembran zur Anode durch Osmose geleitet (aufgrund der höheren Konzentration von Wasser auf der Kathodenseite im Vergleich zur Anodenseite). Das funktioniert gut bei dünnen Membranen, welche derzeit für mittlere Stromdichten verwendet werden; in einem durch eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage angetriebenen Fahrzeug treten hohe Stromdichten nur kurzfristig auf, und Austrocknen der Anode findet in solchen kurzen Zeitspannen nicht statt.
Eine einfache Ausführungsform der Erfindung ist in 4 dargestellt. Darin ist das Wasserauslassverzweigungssystem 38 der Brennstoffseite durch eine Leitung 41 mit einer Leitung 42 von dem Wasserauslassverzweigungssystem 34 der Oxidationsmittelseite in eine Leitung 43 und ein Entlüftungsventil 44 verbunden. Von dem Entlüftungsventil 44 verbindet eine Leitung 47 mit einem Ablaufventil 48, wobei eine Leitung 49 die Leitung 47 mit dem Wassereinlassverzweigungssystem 37 der Brennstoffseite verbindet und eine Leitung 50 die Leitung 47 mit dem Wassereinlassverzweigungssystem 33 der Oxidationsmittelseite verbindet. Wenn bei dieser Ausführungsform die Brennstoffzelle 11 gestartet wird, sammelt sich Produktwasser, welches durch die Brennstoffzellenreaktion entsteht, an und füllt alle. Kanäle in den Oxidationsmittelplatten-Wasserströmungsfeldern (2) und in den Brennstoffplatten-Wasserströmungsfeldern (3). Wenn ausreichendes Wasser erzeugt wird, tritt Wasser durch die Auslassverzweigungssysteme 34, 38 in die Leitungen 41, 42, 43 und nach außen durch das Ventil 44 aus.
Bei diesem Prozess gibt es unvermeidlich Defekte, wobei bei Betriebsdruck-Differenzen von 7 bis 14 kPa etwas Gas von den Reaktantengas-Strömungskanälen durch die poröse Platte in die korrespondierenden Wasserströmungskanäle leckt, weil die Oxidationsmittel-Reaktantengaskanäle jeweils auf einer Seite einer porösen Platte gegenüber den Wasserströmungskanälen sind und die Struktur der porösen Platte so gewählt ist, dass sie einen Blasendruck in der Größenordnung von 35 bis 50 kPa haben. Dies, zusammen mit der höheren Temperatur des Wassers im Brennstoffzellenstapel, verglichen mit dem Wasser außerhalb des Stapels, verringert effektiv die Dichte des strömenden Fluids (Mischung aus Gas plus Wasser) innerhalb der Wasserkanäle in dem Brennstoffzellenstapel auf weniger als die Dichte des Wassers ohne die Gasblasen in den Leitungen 47, 49 und 50. Daher gibt es eine natürliche Konvektionsströmung von dem Wassereinlassverzweigungssystem 33, 37 zu den entsprechenden Wasserauslassverzweigungssystemen 34, 38 und eine abwärts gerichtete Strömung durch die externen Leitungen, insbesondere die Leitung 47.
Dieser Prozess bewirkt, dass Gasbläschen aus dem Stapel getragen werden, welches im Stand der Technik durch Pumpen von Wasser durch den Stapel durch eine mechanische Pumpe erreicht wurde. Da jede Gasblase dazu beiträgt, die natürliche Konvektionszirkulation des Wassers aufrechtzuerhalten, ist das System selbst-heilend, weil das Wasser automatisch zu den Platten mit der höchsten Gasblasenströmung fließt. Weil sich die Gasblasen bewegen, dauert ein Austrocknen an irgendeiner beliebigen Stelle der Plattform nicht sehr lange, so dass der Verlust an Reaktant durch die ausgetrocknete (wasserfreie) Stelle auf der Plattform der porösen Platte nur kurzfristig ist und somit unbeträchtliche Effekte auf das Brennstoffzellenverfahren hat. Die Gasblasen treten natürlich durch das Entlüftungsventil 44 aus. Falls das Mischen von Brennstoff- und Oxidationsmittel-Leckgas vermieden werden soll, können die Leitungen 41 und 42 separat entlüftet werden, bevor sie auf die Leitung 47 treffen; das Wassereinlassverzweigungssystem 33 der Oxidationsmittelseite sollte jedoch mit dem Wassereinlassverzweigungssystem der Brennstoffseite verbunden sein, so dass Produktwasser, welches an der Kathode erzeugt wird, geleitet wird, um die Anode zu befeuchten.
In der Ausführungsform von 4 muss die Druckdifferenz, welche nötig ist, um zu bewirken, dass Wasser aus dem Brennstoff- und Oxidationsmittel-Reaktantengaskanälen durch die porösen Platten in die Wasserströmungskanäle fließt, zur Verfügung gestellt werden durch Unterdrucksetzen des Wasserstoffs auf zwischen ca. 120 kPa (17 psia) und 180 kPa (26 psia), da die Wasserkanäle nach außen entlüftet werden und im Wesentlichen bei Umgebungsdruck arbeiten. In ähnlicher Weise muss das Oxidationsmittel, typischerweise Umgebungsluft, auf im Wesentlichen den gleichen Druck wie der Brennstoff gesetzt werden, welches problemlos erreicht wird durch ein Gebläse oder einen Verdichter 53, welche gegen den Rückdruck eines Strömungswiderstands arbeiten, z. B. ein Ventil 55. Das Ablaufventil 48 kann verwendet werden, um Wasser aus den Wasserkanälen und Leitungen 41–43, 47, 49 und 50 ablaufen zu lassen in Fällen, bei welchen die Umgebung des Brennstoffzellenstapels unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser fallen kann, was üblich sein kann bei einem Brennstoffzellenstapel, der verwendet wird, um ein elektrisches Fahrzeug zu betreiben.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Entlüftungsventil 44 ein Gegendruckregulator sein, welcher den Druck in den Wasserkanälen bei einem vorbestimmten Druck über dem Umgebungsdruck hält. Brennstoff- und Oxidationsmittel-Reaktantengas. sollten mit einer Druckdifferenz von 20 bis 80 kPa (2 bis 11 psia) über dem Druck in den Wasserströmungsfeldern an die Reaktantengaskanäle geliefert werden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die in 5 dargestellt ist, verwendet eine Steuerung 56, um die Menge an Wasser in einer Standleitung 58 zu messen, welche in geeigneter Weise positioniert ist (wobei die Position in 5 lediglich schematisch ist). Wenn das Wasserniveau in der Standleitung 48 auf unterhalb des Referenzniveaus 57 fällt, können die Kühlmittelströmung und/oder Kühlmitteltemperatur angepasst werden, um die Zelle weiter zu kühlen, um mehr Wasser zu gewinnen.
Eine bevorzugte Art der Steuerung des Wasserniveaus in dem Stapel ist die Steuerung der Temperatur. Die Steuerung 56 betätigt ein Ventil 62, um zu bestimmen, wie viel Kühlmittel einen Wärmetauscher 63 umgeht (z. B. der Kühler eines elektrischen Fahrzeugs, welches durch den Brennstoffzellenstapel 11 angetrieben wird). Falls sich das Wasserniveau senkt, wird die Strömung durch das Ventil 62 etwas eingeschränkt, wobei die Kühlmittelströmung vom Kühlmitteleinlass 62 zum Kühlmittelauslass 13 gekühlt wird, was bewirkt, dass mehr Wasser in dem Stapel verbleibt. Wenn umgekehrt das Wasserniveau in der Standleitung 58 über das Referenzniveau 57 ansteigt, wird das Ventil durch die Steuerung 56 ein Stück weit geöffnet, so dass die Temperatur des Kühlmittels ansteigt, wenn es durch den Stapel 11 strömt, wodurch weniger Wasser zurück gehalten wird; falls erwünscht, können beide Ventile 60, 62 gesteuert werden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 6 dargestellt. Darin sind die Wasserauslassverzweigungssysteme 34, 38 nicht mit einer Rückführungsleitung zu den Wassereinlassverzweigungssystemen 33, 37 verbunden. Stattdessen kann sich das Produktwasser in ansteigender Richtung durch den Stapel in dem Maße ansammeln, in dem es erzeugt wird, wobei jeglicher Überschuss gemeinsam mit Reaktantengasblasen durch das Ventil 44a entkommt. Das Ventil 48 wird verwendet, um Wasser aus den Wasserströmungsfeldern ablaufen zu lassen. In dieser Ausführungsform bleiben die Blasen aufgrund ihrer natürlichen Tendenz, nach oben zu strömen, in Bewegung, was das Austrocknen von irgendeiner bestimmten Stelle in irgendeinem der Wasserströmungsfeldkanäle verhindert und damit auch Brennstoff- oder Oxidationsmittelmangel an solchen Punkten verhindert. Diese Ausführungsform wird mit Wasser bei Umgebungsdruck betrieben, was erfordert, dass der Druck des Brennstoffs, wie auch des Oxidationsmittels, in der Größenordnung von 120 kPa (17 psia) bis 180 kPa (26 psia) über dem Umgebungsdruck ist, wie in den vorherigen Ausführungsformen.
In 6 ist gezeigt, dass das Ventil 44 ein Druck-regulierendes Ventil 44a ist. Die Verwendung eines Druck-regulierenden Ventils ermöglicht es, dass der Brennstoffzellenstapel mit Wasserdrücken über dem Umgebungsdruck betrieben werden kann. Beispiele umfassen den Betrieb mit Brennstoff- und Oxidationsmittelreaktantengas bei einem Druck von ca. 170 kPa (22,5 psia) und einem Wasserdruck bei 150 kPa (21 psia) in einem Umgebungsdruck von 100 kPa (14,7 psia). Ein weiteres Beispiel ist Betrieb mit Brennstoff- und Oxidationsmittel-Reaktantengas bei einem Druck von 130 kPa (19 psia) und Wasserdruck bei Umgebungsdruck. Ein weiteres Beispiel umfasst im Betrieb mit Brennstoff- und Oxidationsmittel-Reaktantengas bei ca. 115 kPa (16,4 psia) und Wasser bei Umgebungsdruck. Natürlich ist die Erfindung unabhängig von den Drücken, bei welchen die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage betrieben wird, welche bei verschiedenen Kombinationen von Drücken betrieben werden kann.
Wie in 5 dargestellt, kann die Steuerung auf einen Drucksensor 67 reagieren, um das Einstellen des Ventils 44 zu steuern, um somit den Druck des Wassers im Brennstoffzellenstapel zu steuern. Der Druck kann hierbei in jeder der Ausführungsformen auch auf andere konventionelle Weise gesteuert werden.
Die Ausführungsform von 7 stellt vertikale Wasserkanäle auf einer Oberfläche einer porösen Kathodenplatte dar. Vertikale Kanäle verbessern die Aufwärtsströmung von Wasser durch die Brennstoffzellen, im Gegensatz zu den teilweise horizontalen Wasserströmungskanälen mit sechs Passagen, welche durch die gepunkteten Linien und Pfeile in 2 dargestellt sind. Zur Verbesserung der Zirkulation gewährleistet in 7 ein Gasseparator 72, dass die Blasen durch eine Entlüftungseinrichtung 73 entfernt werden, so dass nur Wasser von dem Boden 76 des Gasseparators 72 abwärts durch die Leitung 47a zu einem Wärmetauscher 77 strömt. Der Wärmetauscher 77 kann einfach eine Wicklung einer Leitung mit einer vertikalen Achse sein, oder es kann ein Wärmetauscher der bekannten Art mit einem Rohr und Kühlrippen sein, welcher vorzugsweise auf der Seite liegt, so dass Umgebungsluft dazu neigt, Luft hindurch zu pumpen infolge der Erwärmung durch den Wärmetauscher 77. Dann strömt das Wasser durch die Leitung 47b zum Ventil 48 und durch die Leitung 50 zu dem Wassereinlassverzweigungssystem 33. Kühlen des Wassers im Wärmetauscher 77 wird verbessert durch die Tatsache, dass alle Gase im Gasseparator 72 daraus entfernt werden. Da das Wasser in der Leitung 47b, 50 viel kühler als in dem Kühlmittelströmungskanal 70 ist, gewährleistet ausreichendes Pumpen des Wassers ein Entfernen der Blasen und Zirkulation des Wassers, so dass es im Allgemeinen trockene Stellen nur kurzfristig gibt, welche keine signifikanten Gaslecks in den Brennstoffzellen ermöglichen.
In 8 ist eine ähnliche Ausführungsform mit vertikalen Wasserkanälen 70 mit einem sehr kleinen hydrophoben Band ausgestattet, dargestellt durch die doppelt gepunktete Linie 80, welches sich horizontal über die gesamte poröse Anodenplatte 14 erstreckt, um das Lecken von Gas in den Wasserkanal aufgrund der Druckdifferenz zwischen Reaktantengas und dem Wasser zu verbessern. Alternativ können einzelne Stellen in dem Wasserströmungskanal hydrophob gemacht werden. Dies gewährleistet, dass die durchschnittliche Dichte in jedem der Wasserkanäle durch Gasblasen reduziert wird, und damit geringer als die Dichte in den Leitungen 47 und 50 ist, von welchem das Gas durch den Gasseparator 72 entfernt wird. Jedes bekannte wasserdichtende Material kann verwendet werden, um lokale hydrophobe Bereiche zu erzeugen, z. B. FEP TEFLON^® und KYNAR^®. Das Material kann in Kolloidsuspension, Lösung oder als Viskosetinte aufgebracht werden. Es kann aufgebracht werden durch Aufbringen von Mikro-Tröpfchen, Siebdrucken, Tintenstrahldrucken oder jede andere bekannte Weise. Der hydrophobe Bereich der porösen Platte kann entweder aus einem Band einer Wasserabdichtung oder aus einzelnen Bereichen der Wasserabdichtung bestehen, je nachdem, wie es erwünscht ist.

Claims

PEM-Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit passivem Wassermanagement, aufweisend: ein PEM-Brennstoffzellenstapel (11), aufweisend eine Mehrzahl von Brennstoffzellen, wobei jede der Brennstoffzellen eine Membranelektrodenanordnung mit einer Kathode auf einer Seite und einer Anode auf der anderen Seite haben, wobei die Kathode und Anode jeweils eine poröse Strömungsfeldplatte mit Reaktantengas-Strömungskanälen auf einer Oberfläche und Wasserströmungskanälen auf einer der einen Oberfläche entgegengesetzten Oberfläche aufweisen; gekennzeichnet durch mindestens ein Wasserauslassverzweigungssystem (34, 38) in der Nähe des oberen Endes des Brennstoffzellenstapels, wobei sich die Wasserströmungskanäle von dem Bereich des Bodens von jeder der Brennstoffzellen allgemein aufwärts zu dem mindestens einen Wasserauslassverzweigungssystem erstrecken, wodurch ermöglicht wird, dass Brennstoffreaktantengas, welches in die Wasserströmungskanäle auf der Anodenseite leckt, durch Bläschen-Pumpen Wasser in den Wasserkanälen auf der Anodenseite aufwärts zu dem mindestens einen Wasserauslassverzweigungssystem pumpt, und wodurch ermöglicht wird, dass Oxidationsmittel-Reaktantengas, welches in die Wasserströmungskanäle auf der Kathodenseite leckt, durch Bläschen-Pumpen Wasser in den Wasserkanälen auf der Kathodenseite aufwärts zu dem mindestens einen Wasserauslassverzweigungssystem pumpt; und mindestens eine Entlüftungseinrichtung (44), welche mit dem mindestens einen Wasserauslassverzweigungssystem verbunden ist (41 bis 43), um Entlüften von Brennstoff- und Oxidationsmittelgas von dem Brennstoffzellenstapel zu ermöglichen, wodurch Wassermanagement in dem Brennstoffzellenstapel ohne eine mechanische Pumpe erfolgt.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 1, ferner aufweisend: mindestens ein Wassereinlassverzweigungssystem (33, 37), welches an der Basis des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, wobei sich die Wasserkanäle von dem mindestens einen Wassereinlassverzweigungssystem allgemein aufwärts zu dem mindestens einen Wasserauslassverzweigungssystem erstrecken.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 2, außerdem aufweisend: ein Ablaufventil (48), welches mit dem mindestens einen Wasserauslassverzweigungssystem verbunden ist.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 2, außerdem aufweisend: Leitungen (41 bis 43, 47, 49, 50), welche das mindestens eine Wassereinlassverzweigungssystem mit dem mindestens einen Wasserauslassverzweigungssystem verbinden, wodurch Wasser durch den Stapel durch natürliche Konvektion strömt.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 4, bei welcher: die mindestens eine Entlüftungseinrichtung einen Teil eines Gasseparators (58) umfasst.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 4, bei welcher die Leitungen ein steuerbares Ventil (60) aufweisen, ferner aufweisend: eine Einrichtung (56) zum Steuern des steuerbaren Ventils in Reaktion auf das Wasserniveau in dem Brennstoffzellenstapel, um die Menge von Wasser in dem Stapel zu steuern.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 4, ferner aufweisend: eine Mehrzahl von Kühlmittelströmungsplatten, welche zwischen mindestens einigen der Brennstoffzellen angeordnet sind, welche jeweils Kühlmittelströmungskanäle darin haben; ein Kühlmittelströmungssystem in Fluidverbindung mit den Kühlmittelströmungskanälen, wobei das Kühlmittelströmungssystem einen Kühler (63) zum Kühlen des Kühlmittels aufweist, und eine Einrichtung (56) aufweist, welche auf das Wasserniveau in dem Brennstoffzellenstapel reagiert, um das Kühlen des Kühlmittels in dem Kühlmittelströmungssystem zu steuern.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 4, außerdem aufweisend: einen hydrophoben Bereich (80) auf mindestens einer der porösen Platten, um somit ausreichendes Lecken von Gas zu gewährleisten, um adäquates Bläschen-Pumpen einer Wasser/Gasmischung in den Wasserkanälen der mindestens einen porösen Platte zu gewährleisten.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 4, außerdem aufweisend: einen Wärmetauscher (77) in den Leitungen, wodurch eine ausreichend unterschiedliche Dichte zwischen Wasser in den Leitungen und Wasser in den Wasserkanälen ermöglicht wird, um eine Konvektionsströmung einer Wasser/Gasmischung in den Wasserströmungskanälen zu gewährleisten.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 4, außerdem aufweisend: einen Gasseparator (58), welcher mit mindestens einem der Wasserauslassverzweigungssysteme verbunden ist, um Gas von einer Wasser/Gasmischung zu entfernen, welche in den Wasserkanälen strömt, die mit dem mindestens einen Wasserauslassverzweigungssystem verbunden sind.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einer Anordnung für passives Wassermanagement, um (1) Entfernung eines Teils des Produktwassers und Kondensats von jeder Brennstoffzelle des Systems zu ermöglichen und (2) Befeuchtung von Reaktanten in jeder Zelle ohne eine Wassersystem-Zirkulationspumpe zu ermöglichen, wobei jede Brennstoffzelle des Systems aufweist: eine Membranelektrodenanordnung (MEA), umfassend eine Polymerelektrodenmembran; mindestens eine poröse Strömungsfeldplatte in Kontakt mit mindestens einer entsprechenden Seite der MEA und mit mindestens einer ersten Oberfläche, benachbart der MEA, welche mit Kanälen versehen ist, um ein entsprechendes Reaktantengas-Strömungsfeld zu bilden, und mit einer zweiten Oberfläche auf der anderen Seite der ersten Oberfläche, welche mit Kanälen versehen ist, um ein Wasserströmungsfeld zu bilden; mindestens eine Reaktantengasquelle (16, 28; 21, 53), welche Reaktantengas bei einem Druck über dem Druck in den Wasserströmungsfeldern der entsprechenden Strömungsfeldplatten zur Verfügung stellt; gekennzeichnet durch: mindestens ein oberes Wasserverzweigungssystem (34, 38), welches mit den oberen Enden der Strömungsfeldplatten-Wasserkanäle verbunden ist und in die Umgebung entlüftet (41 bis 44), durch welches Reaktantengas, welches in die Wasserkanäle der entsprechenden Strömungsfeldplatte geleckt ist und auch überschüssiges Wasser in die Umgebung entlüftet werden kann, um aus dem Verzweigungssystem zu gelangen.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 11, außerdem aufweisend: mindestens ein Wassereinlassverzweigungssystem (33, 37), welches an der Basis des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, wobei sich die Wasserkanäle von dem mindestens einen Wassereinlassverzweigungssystem allgemein aufwärts zu dem mindestens einen Wasserauslassverzweigungssystem erstrecken; Leitungen (41 bis 43, 47, 49, 50), welche das mindestens eine Wassereinlassverzweigungssystem mit dem mindestens einen Wasserauslassverzweigungssystem verbinden, wodurch Wasser durch den Stapel aufgrund natürlicher Konvektion strömt; eine Mehrzahl von Kühlmittelströmungsplatten, welche zwischen mindestens einigen der Brennstoffzellen angeordnet sind, welche jeweils Kühlmittelströmungskanäle darin haben; und ein Kühlmittelströmungssystem in Fluidverbindung mit den Kühlmittelströmungskanälen, wobei das Kühlmittelströmungssystem einen Kühler zum Kühlen des Kühlmittels und eine Einrichtung (56) aufweist, welche auf das Wasserniveau in dem Brennstoffzellenstapel reagiert, um das Kühlen von Kühlmittel in dem Kühlmittelströmungssystem zu steuern.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 11, außerdem aufweisend: mindestens ein Wassereinlassverzweigungssystem 33, 37, welches an der Basis des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, wobei sich die Wasserkanäle von dem mindestens einen Wassereinlassverzweigungssystem allgemein aufwärts zu dem mindestens einen Wasserauslassverzweigungssystem erstrecken; Leitungen (41 bis 43, 47, 49, 50), welche das mindestens eine Wassereinlassverzweigungssystem mit dem mindestens einen Wasserauslassverzweigungssystem verbinden, wodurch das Wasser durch den Stapel aufgrund natürlicher Konvektion strömt; einen Wärmetauscher (77) in den Leitungen, um dadurch eine ausreichend unterschiedliche Dichte zwischen Wasser in den Leitungen und Wasser in den Wasserkanälen zu ermöglichen, um Konvektionsströmung der Wasser/Gasmischung in den Wasserströmungskanälen zu gewährleisten.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 11, außerdem aufweisend: ein unteres Wasserverzweigungssystem (33), verbunden mit dem Boden der Kathodenplattenwasserkanäle und (42, 43, 47, 50) verbunden mit dem entsprechenden oberen Wasserverzweigungssystem und mit einem Ablauf (35), welcher während des Brennstoffzellenbetriebs geschlossen ist und welcher geöffnet werden kann, um im Wesentlichen sämtliches Wasser von den entsprechenden Kanälen ablaufen zu lassen, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts beendet wird; und ein unteres Wasserverzweigungssystem (37), welches mit dem Boden der Anodenplattenwassserkanäle und (41 bis 43, 47, 49) mit den entsprechendem oberen Wasserverzweigungssystem verbunden ist und mit einem Ablauf (48), welcher während des normalen Brennstoffzellenbetriebs geschlossen ist und welcher geöffnet werden kann, um im Wesentlichen sämtliches Wasser von den entsprechenden Kanälen ablaufen zu lassen, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts beendet wird.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 1, 2, 4 oder 11, wobei die Strömungskanäle (70) vertikal sind.