DE19859485A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents
BrennstoffzellensystemInfo
- Publication number
- DE19859485A1 DE19859485A1 DE19859485A DE19859485A DE19859485A1 DE 19859485 A1 DE19859485 A1 DE 19859485A1 DE 19859485 A DE19859485 A DE 19859485A DE 19859485 A DE19859485 A DE 19859485A DE 19859485 A1 DE19859485 A1 DE 19859485A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- water
- fuel cell
- cathode
- cell system
- gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
- H01M8/04029—Heat exchange using liquids
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
- H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
- H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
- H01M8/04303—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during shut-down
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
- H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0082—Organic polymers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
- H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensy
stem und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das eine Pro
tonenaustauschmembran als ein Elektrolyt verwendet.
Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle weist eine
Protonenaustauschmembran (PEM) zwischen zwei Elektroden auf,
das heißt eine Kathode, der ein Oxidationsgas zugeführt wird,
und eine Anode, der ein Brennstoffgas zugeführt wird. Die PEM
dient als ein Elektrolyt und transportiert dorthindurch an der
Anode der Brennstoffzelle erhaltene Wasserstoffionen zur Ka
thode in der Form von Protonen (H⁺). Jede der Elektroden weist
eine auf einem porösen Basisglied abgeschiedene Katalysator
schicht auf, durch die das Reaktantgas zugeführt wird. Außer
halb jeder Elektrode ist eine Separator- oder Verbindungsplatte
mit Rillen angebracht, die es gestatten, daß das Reaktantgas in
die Elektrode mit einer konstanten Durchflußmenge eingebracht
wird. Ein überschüssiges Gas, das durch die Brennstoffzellen
reaktion nicht verbraucht worden ist, wird durch den gerillten
Separator ins Freie abgelassen. Die Elektrizität, die durch die
Energieumwandlungsreaktion an der Anode erzeugt wird, wird am
porösen Elektrodenbasisglied gesammelt und zum Äußeren des
Brennstoffzellensystems durch den Separator transportiert. Bei
der tatsächlichen Anwendung weist das System mehrere Brenn
stoffzellen auf, die in Aufeinanderfolge geschichtet sind, wo
bei der Separator zwischen benachbarten Brennstoffzellen ange
ordnet ist.
Da die Brennstoffzelle entsprechend der erzeugten elektri
schen Leistung Wärme erzeugt, weist ein Brennstoffzellenstapel
100 üblicherweise zwischen Brennstoffzellen 101, 101 an vorher
bestimmten Intervallen Kühlplatten 103 auf, wie in Fig. 9 ge
zeigt. Jede Kühlplatte weist einen Durchgang eines Kühlmittels,
wie Luft und Wasser auf, um eine übermäßige Überhitzung der
Brennstoffzellen 101 im Betrieb zu verhindern.
Ein Proton wird hydriert, wenn es durch das PEM-Elektrolyt
übertragen wird, so daß die PEM dazu neigt, dehydriert zu wer
den, wenn die Brennstoffzellenreaktion fortschreitet. Die PEM
muß immer richtig befeuchtet werden, um eine Abnahme der Ionen
leitfähigkeit und der Energieumwandlungseffizienz zu verhin
dern. Bei den herkömmlichen Gestaltungen wird Wasserstoffgas
durch geeignete Einrichtungen befeuchtet, das wiederum die PEM
befeuchtet, wenn es der Anode zugeführt wird.
Verschiedene Versuche sind vorgeschlagen worden, um Luft zu
befeuchten, die der Kathode zugeführt werden soll. Da die Ka
thode der Brennstoffzelle im Betrieb auf zum Beispiel 80°C er
wärmt worden ist, sollte die Luft einer normalen Temperatur
durch einen Befeuchter vorerwärmt werden, so daß ihr gesättig
ter Dampf mit der Umgebungsdampfbedingung der Kathode konsi
stent wird. Ein solcher Befeuchter, der es benötigt, daß er eine
Wasserzuführfunktion und eine Luftvorerwärmungsfunktion auf
weist, kann in seiner Konstruktion nicht einfach sein.
In der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 7-14599 ist eine Wassereinspritzdüse vorgesehen, um eine not
wendige Wassermenge in eine lufteinbringende Röhre einzusprit
zen, durch die der Kathode der PEM-Brennstoffzelle Luft zuge
führt wird. Da die Düse stromaufwärts eines Kompressors ange
ordnet ist, wird aus der Düse eingespritztes flüssiges Wasser
verdampft, wenn es Wärme ausgesetzt wird, die durch den Kom
pressor erzeugt wird. Folglich wird die Kathode durch Dampf und
nicht durch flüssiges Wasser befeuchtet.
Im Brennstoffzellensystem der ungeprüften japanischen Pa
tentveröffentlichung Nr. 9-266004 wird ein Ablaßgas von der An
ode, das Wasserstoffgas enthält, das nicht während der anodi
schen Reaktion verbraucht worden ist, in die Kathode einge
bracht, wo das unverbrauchte Wasserstoffgas im Ablaßgas mit
Sauerstoff verbrannt wird, um Wasser zu erzeugen, das das
PEM-Elektrolyt gut befeuchtet. In diesem System gibt es keinen Be
darf, einen Befeuchter zum Befeuchten von Luft einzubauen, die
der Kathode zugeführt werden soll.
Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems wird ein
Elektron, das an der Anode erzeugt wird, zur Kathode bewegt, wo
es mit Sauerstoff in der Luft oder irgendeinem anderen Oxida
tionsgas reagiert, das dorthin zugeführt wird, um Wasser zu er
zeugen. Demzufolge gibt es gemaß der herkömmlichen Kenntnis in
der Technik ein größeres Bedürfnis, Wasserstoffgas zu befeuch
ten, das der Anode zugeführt werden soll, als an der Kathode,
wo Wasser mindestens teilweise selbstunterhaltend sein kann.
Als Ergebnis von wiederholten Versuchen und Untersuchungen
der Erfinder ist jedoch herausgefunden worden, daß Wasser, das
an der Kathode erzeugt wird, das PEM-Elektrolyt zur Anode hin
durchdringt, was es überflüssig macht, Wasserstoffgas zu be
feuchten, das der Anode zugeführt werden soll. Andererseits
neigt eine Wassermenge des PEM-Elektrolyts an der Kathodenseite
dazu, durch Berührung mit dem Luftstrom zur Kathode abzunehmen.
Ein solcher Befund steht im Widerspruch zur herkömmlichen
Kenntnis und ist durch die gegenwärtigen Erfinder zuerst er
kannt worden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein auf dem
oben beschriebenen Befund beruhendes Brennstoffzellensystem be
reitzustellen, das fähig ist, eine Protonenaustauschmembran in
einem geeigneten Feuchtigkeitszustand zu halten.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das in seiner Konstruk
tion einfach, klein in seinen Abmessungen, einfach einzubauen
und daher insbesondere geeignet ist, an einem Fahrzeug ange
bracht zu werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Brennstoffzellensystem bereitgestellt, in dem Wasser der Ober
fläche der Kathode nicht in einem Dampfzustand, sondern in einem
flüssigen Zustand zugeführt wird. Folglich weist das erfin
dungsgemäße Brennstoffzellensystem auf: eine oder mehrere
Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode, eine Kathode und eine
Elektrolytmembran, die zwischen der Anode und der Kathode an
geordnet ist, aufweisen; erste Gaszuführeinrichtungen, um ein
erstes Gas, das Brennstoffgas aufweist, der Anode zuzuführen;
zweite Gaszuführeinrichtungen, um ein zweites Gas, das Sauer
stoff aufweist, der Kathode zuzuführen; und Zuführeinrichtungen
für flüssiges Wasser, um der Oberfläche der Kathode flüssiges
Wasser zuzuführen. Flüssiges Wasser kann auf die Oberfläche der
Kathode gesprüht werden. Die Zufuhr von flüssigem Wasser kann
mit Unterbrechungen stattfinden. In einer bevorzugten Ausfüh
rungsform ist eine Düse vorgesehen, um flüssiges Wasser zur
Oberfläche der Kathode zu sprühen oder einzuspritzen.
Mit diesem Brennstoffzellensystem nimmt flüssiges Wasser,
das der Oberfläche der Kathode zugeführt wird, latente Wärme
aus der Luft um die Kathode auf, um Verdampfung von Wasser von
der Elektrolytmembran zu verhindern. Folglich wird verhindert,
daß die Elektrolytmembran übermäßig getrocknet wird, und sie
wird in einem geeigneten Feuchtigkeitszustand gehalten, was die
Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit der Brennstoffzellensystems
verbessert. Die Zufuhr von flüssigem Wasser auf die Oberfläche
der Kathode ist auch wirksam, die Kathode und folglich den
Brennstoffzellenstapel zu kühlen, was es überflüssig macht,
Kühlplatten im Stapeln einzubauen, wie bei der bekannten Ge
staltung.
Vorzugsweise wird flüssiges Wasser auf die Oberfläche der
Kathode gesprüht, da es effektiver ist, latente Wärme aus der
Luft zu entnehmen. Obwohl das Brennstoffzellensystem der unge
prüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 7-14599 die Was
sereinspritzdüse auf der Luftzufuhrseite offenbart, wird das
gesprühte flüssige Wasser verdampft, bevor es in die Kathode
eintritt. Das Konzept, der Kathode flüssiges Wasser zuzuführen,
wird durch diesen Stand der Technik überhaupt nicht gelehrt.
Die vorliegende Erfindung benötigt keine Vorerwärmung der Luft,
die der Kathode zugeführt werden soll, eine Funktion, die im
Befeuchter des herkömmlichen Systems erforderlich gewesen ist.
Die Zufuhr von flüssigem Wasser zur Kathode ist insbeson
dere wirksam, um die Kathode zu kühlen, die auf eine Temperatur
erwärmt worden ist, die höher als an der Anode ist, wenn das
Brennstoffzellensystem im Betrieb ist. Dies vereinfacht die Sy
stemstruktur und verringert das Gesamtgewicht, da der Brenn
stoffzellenstapel 110 die Kühlplatten 103 (Fig. 9) nicht benö
tigt, wie im herkömmlichen System, wie in Fig. 10 gezeigt.
Die Zufuhr von flüssigem Wasser kann kontinuierlich oder
mit Unterbrechungen stattfinden. Wenn flüssiges Wasser mit Un
terbrechungen zugeführt wird, ist eine niedrige elektrische
Leistung ausreichend, um eine Pumpe oder irgendwelche andere
geeignete Vorrichtung zu betreiben, um flüssiges Wasser von ei
nem Wassertank zu befördern. Im herkömmlichen System, in dem
die Luft, die der Kathode zugeführt werden soll, mit Dampf be
feuchtet wird, ist es notwendig gewesen, kontinuierlich Dampf
zu erzeugen und die Luft auf eine vorherbestimmte Temperatur
vorzuerwärmen, was eine sehr viel größere elektrische Leistung
benötigt, um die Befeuchtungsvorrichtung zu betreiben.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere praktisch, wenn
sie auf ein Brennstoffzellensystem angewendet wird, in dem Was
ser, das durch die Brennstoffzellenreaktion erzeugt wird, der
Elektrolytmembran zugeführt wird, und das keine spezielle Aus
stattung zur Befeuchtung der Elektrolytmembran aufweist. In
dieser Art Brennstoffzellensystem wird ein geeigneter Feuchtig
keitszustand der Elektrolytmembran nur durch das Reaktantwasser
an der Kathode durch Verbrennung oder Reaktion eines Brenn
stoffgases und Sauerstoff erzeugt. Es gibt keine Notwendigkeit,
der Kathode konstant Wasser zuzuführen, aufgrund des Vorhanden
seins des Reaktantwassers an der Kathode. Die Düse wird nur dann
betrieben, um flüssiges Wasser zur Kathode zu sprühen, wenn ein
Feuchtigkeitszustand an der Oberfläche der Elektrolytmembran,
die der Kathode gegenüberliegt, auf unter ein kritisches Niveau
vermindert wird, so daß die Brennstoffzellenleistung vermindert
wird. Dies sollte mit dem herkömmlichen System verglichen wer
den, in dem die Befeuchtungsvorrichtung immer betrieben wird,
um die Luft zu befeuchten, die der Kathode zugeführt werden
soll. Dementsprechend weist das erfindungsgemäße Brennstoffzel
lensystem, in dem keine Befeuchtungsvorrichtung eingesetzt
wird, den Vorteil des Minimierens der Betriebsenergie im System
auf.
Wenn das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem gestartet
werden soll, wird in der bevorzugten Arbeitsweise flüssiges
Wasser zur Kathode eingespritzt, bevor das Brennstoffgas zuerst
der Anode zugeführt wird, und das Brennstoffzellensystem wird
mit einer äußeren Vorrichtung verbunden, zu der erzeugte Elek
trizität zugeführt werden soll (einem Fahrzeugantriebsmotor
zum Beispiel), nachdem die Leistungsabgabe vom Brennstoffzel
lensystem einen vorherbestimmten Pegel erreicht, wenn die Re
aktion fortschreitet. Wenn das Brennstoffzellensystem für eine
lange Zeitspanne außer Betrieb ist, könnte die Luft, die um die
Kathode herum verbleibt, die Elektrolytmembran zur Anode hin
durchdringen, die mit dem Brennstoffgas umgesetzt werden
könnte, um eine Explosion zu verursachen, so daß die Membran
beschädigt wird. Um dies zu verhindern, wird die Kathode vor
zugsweise durch das Sprühen von flüssigem Wasser gekühlt, bevor
das Brennstoffgas der Anode zugeführt wird. Eine solche Vorge
hensweise ist ebenfalls wirksam, um die Membran schnell zu be
feuchten, die nach einer langen Stillstandsperiode ausgetrock
net sein kann. Flüssiges Wasser, das direkt auf die Oberfläche
der Kathode gesprüht wird, kann aufgrund des hohen osmotischen
Drucks reibungslos in der trockenen Membran auf genommen werden.
Die Menge flüssigen Wassers sollte im Anfangsbetriebsstadium
des Brennstoffzellensystems vorzugsweise etwas größer als im
Normalbetrieb sein, um den geeigneten Feuchtigkeitszustand der
Elektrolytmembran aufrecht zu erhalten.
Die vorhergehenden und weiteren Aufgaben und Merkmale der
vorliegenden Erfindung können aus der folgenden Beschreibung
hervorgehen, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeich
nungen gelesen wird. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht, die in Form eines Diagramms
die Struktur einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungs
vorrichtung zeigt, die die vorliegende Erfindung aus
führt;
Fig. 2 eine schematische Ansicht, die eine einzelne Brenn
stoffzellenstruktur in der in Fig. 1 gezeigten Vorrich
tung zeigt;
Fig. 3 ein Blockschaltbild des Steuersystems der in Fig. 1 ge
zeigten Vorrichtung;
Fig. 4 einen Ablaufplan, der eine Zuführoperation für flüssi
ges Wasser der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zeigt;
Fig. 5 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen
der Sprühwassermenge und dem Wasserdruck zeigt;
Fig. 6 einen Ablaufplan, der die Anfahroperation der in Fig.
1 gezeigten Vorrichtung zeigt
Fig. 7 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen
dem Wassersprühen auf unterschiedliche Arten und den
sich ergebenden Brennstoffzellenleistungsabgaben zeigt;
Fig. 8 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen
den Brennstoffzellenleistungsabgaben und den Sprühwas
sertemperaturen zeigt;
Fig. 9 eine erläuternde Ansicht, die die bekannte Brennstoff
zellenstapelstruktur zeigt;
Fig. 10 eine erläuternde Ansicht, die die erfindungsgemäße
Brennstoffzellenstapelstruktur zeigt;
Fig. 11 ist eine Tabelle, die die Versuchsbedingungen und Er
gebnisse zeigt, aus denen die vorliegende Erfindung
eine verbesserte Kühlkapazität bereitstellt;
Fig. 12 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen
der Temperaturdifferenz zwischen Innenseite und Außen
seite der Brennstoffzelle und Eigenwärmestrahlung
zeigt, die durch die in Fig. 11 gezeigten Versuchser
gebnisse bestimmt wurde;
Fig. 13 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen
der Sprühwassermenge und der Kühlkapazität zeigt, die
ebenfalls durch die in Fig. 11 gezeigten Versuchser
gebnisse bestimmt wurde;
Fig. 14 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen
der Sprühwassermenge und der Kühlkapazität durch auf
nehmbare Wärme zeigt, die ebenfalls durch die in Fig.
11 gezeigten Versuchsergebnisse bestimmt wurde;
Fig. 15 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen
der Sprühwassermenge und der Kühlkapazität durch la
tente Wärme zeigt die ebenfalls durch die in Fig. 11
gezeigten Versuchsergebnisse bestimmt wurde; und
Fig. 16 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen
der Ablaßgastemperatur und der Kühlkapazität durch la
tente Wärme zeigt; die ebenfalls durch die in Fig. 11
gezeigten Versuchsergebnisse bestimmt wurde.
Fig. 1 zeigt in Form eines Diagramms die Struktur einer
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsvorrichtung 1 gemäß einer Aus
führungsform der vorliegenden Erfindung, die im allgemeinen
eine Protonenaustausch-Elektrolytbrennstoffzelle 10, ein
Brennstoffgaszuführsystem 20, ein Luftzuführsystem 30 und ein
Wasserzuführsystem 40 aufweist.
In Fig. 2 wird eine einzelne Brennstoffzellenstruktur ge
zeigt, die, wie in der Technik bekannt, eine Luftelektrode oder
Kathode 11, eine Brennstoffelektrode oder Anode 13 und eine da
zwischen angeordnete Elektrolytmembran 12 aufweist. Bei der
tatsächlichen Anwendung werden mehrere der Brennstoffzellen
aufeinander geschichtet, um einen Brennstoffzellenstapel zu
bilden. Ein Lufteinlaßverteiler 14 mit einer Wassereinspritz
düse 41 und ein Luftauslaßverteiler 15 sind über bzw. unter der
Kathode 11 angebracht. Der Lufteinlaßverteiler 14 ist in seiner
Höhe verhältnismäßig lang, was ausreichend ist, um Wasser aus
der Düse 41 auf die gesamte Oberfläche der Kathode 11 einzu
spritzen. Wasser aus der Düse 41 kann durch den Luftauslaßver
teiler 15 abgelassen werden.
In einer modifizierten Gestaltung kann die Düse 41 an der
Seitenwand des Lufteinlaßverteilers 14 angebracht werden. In
dieser Modifikation kann Wasser, das aus der Düse 41 einge
spritzt wird, auf das gesamte Oberflächengebiet der Kathode 11
dispergiert werden, was es eher gestattet, den Lufteinlaßver
teiler 14 zu verkürzen, als jenen, der in Fig. 1 gezeigt wird,
der mit der Düse 41 an dessen oberen Teil versehen ist, was zu
einer Verminderung der Größe der Brennstoffzelle 10 führt.
Wie in Fig. 2 gezeigt, ist eine einzelne Brennstoffzellen
einheit, die eine Kathode 11/Membran 12/Anode 13 aufweist, in
einem dünnen Film ausgebildet, der zwischen einem Paar Kohlen
stoff-Verbindungsplatten oder Separator 16, 17 gehalten wird.
Die Verbindungsplatte oder Separator 16, die zur Kathode 11
weist, ist mit mehreren Rillen 18 versehen, die sich vertikal
durch den Lufteinlaßverteiler 14 und Luftauslaßverteiler 15 er
strecken. Die Rillen 18 dienen nicht nur als Luftstromdurch
gänge, sondern gestatten es auch, daß Wasser aus der Düse 41
vom oberen Teil zum unteren Teil der Kathode 11 tropft.
Andererseits ist die Verbindungsplatte 17, die zur Anode 13
weist, mit mehreren Rillen 19 versehen, um dort hindurch ein
Wasserstoffgas gehen zu lassen, die sich in der gezeigten Aus
führungsform horizontal erstrecken, jedoch sich vertikal er
strecken können, das heißt parallel zu den Luftstromdurchgangs
rillen 18.
Die Kathode 11, der Wasser aus der Düse 41 zugeführt wird,
muß aus einem wasserbeständigen Material bestehen. Es ist auch
erforderlich, daß das Material, das die Kathode 11 bildet, eine
verbesserte wasserabstoßende Eigenschaft aufweist, um eine Was
serablagerung auf deren Oberfläche zu verhindern, die das Ober
flächengebiet vermindern könnte. Ein typisches Beispiel eines
geeigneten Materials, das die Kathode 11 bildet, ist ein Koh
lenstoffgewebe, in das PTFE eingebettet ist. Die Elektrolytmem
bran 12 kann aus einer Nafion- (Warenzeichen von Dupon) Membran
einer geeigneten Dicke bestehen, insofern sie es gestattet, daß
Wasser, das an der Kathode 11 erzeugt wird, dort hindurch zur
Anode 13 dringt. Die Anode 13 kann aus jedem gewünschten Mate
rial bestehen, jedoch ist es praktischerweise zu bevorzugen,
daß dasselbe Material wie für die Kathode 11 auch für die Anode
13 verwendet wird.
Jede Oberfläche der Kathode 11 und Anode 13, die zur Elek
trolytmembran 12 weist, ist mit einem dünnen Film einer vorher
bestimmten gleichmäßigen Dicke eines Katalysators der Platin
gruppe beschichtet, der die Brennstoffzellenreaktion zwischen
Wasserstoff im Brennstoffgas und Sauerstoff in der Luft unter
stützt. Die Beschichtung des Katalysatorfilms kann zum Beispiel
durch Kathodenzerstäubung, gefolgt von Warmpressen erfolgen.
Eine Wasserstoffquelle 21 eines Wasserstoffgaszuführsy
stems 20 besteht in dieser Ausführungsform aus einer Wasser
stoffgasflasche 21 aus einer wasserstoffspeichernden Legierung,
wie LaNi5, TiFe, ZrMn2, Mg2Ni, aus der Wasserstoffgas der Anode
13 der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird. Zum Beispiel ist be
kannt, daß LaNi5 eine endotherme Reaktion LaNi5H6 → LaNi5 + 3H2
liefert, wenn es auf etwa 50-80°C erwärmt wird, was bewirkt,
daß Wasserstoffgas mit etwa 300 Liter pro Stunde erzeugt wird.
Ein weiteres Beispiel einer Wasserstoffquelle 11 weist eine
Rektifiziervorrichtung auf, die ein Rohmaterial, wie eine Was
ser/Methanol-Mischflüssigkeit in ein wasserstoffangereichertes
Gas rektifiziert, das einem Tank zugeführt und darin gespei
chert wird. Wenn die Vorrichtung 1 stationär in einem Raum in
stalliert wird, kann die Wasserstoffquelle 21 eine feste Gas
leitung mit einem Regulationsventil sein.
Ablaßgas von der Anode 13 kann durch einen Ablaßgasdurch
gang 24 mit einem Ventil 25 dem Lufteinlaßverteiler 14 zugeführt
werden, wo es mit der Luft gemischt wird. Das Ventil 25 regu
liert die Speiserate des Ablaßgases von der Anode 13 zum Ver
teiler 14. In einer Modifikation gibt es keinen Ablaßgasdurch
gang 24, wobei in diesem Fall das gesamte Ablaßgas von der Anode
13 ins Freie abgelassen wird.
Obwohl in den Zeichnungen nicht gezeigt, ist ein Gebläse
angebracht, das die atmosphärische Luft in den Lufteinlaßver
teiler 14 der Kathode 11 durch einen Luftstromdurchgang 31 ein
bringt. Wie vorhergehend beschrieben, geht die in den Luftein
laßverteiler 14 eingebrachte Luft durch sich vertikal erstrec
kende Rillen 18 über die gesamte Oberfläche der Kathode 11 hin
weg. Ein Ablaßgas von der Kathode 11 wird durch einen Durchgang
32 einem Konzentrator 33 zugeführt, wo Wasser vom Ablaßgas ge
trennt und abgelassen oder durch einen Durchgang 36 mit einem
Steuerventil 34 umgewälzt wird, das die Ablaßrate steuert. Der
Durchgang 36 kann mit dem Durchgang 31 zum Wiedereintritt des
verbleibenden Gases in die Kathode 11 verbunden sein. Das Ventil
34 kann weggelassen werden, wobei in diesem Fall das gesamte
Ablaßgas der Kathode 11 ins Freie abgelassen wird.
Das vom Ablaßgas getrennte Wasser wird einem Wassertank 42
zugeführt. Der Wasserstand im Tank 42 wird durch einen Wasser
standssensor 43 ermittelt, der ein Signal an eine Alarmvorrich
tung 44 ausgibt, wenn der Wasserstand im Tank 42 unter einen
vorherbestimmten Stand fällt, so daß die Alarmvorrichtung eine
sichtbare und/oder hörbare Warnung an den Bediener ausgibt.
Im Wasserzuführsystem 40 dieser Ausführungsform ist ein
Wasserzuführdurchgang 45, der eine Pumpe 46 und einen Wasser
drucksensor 47 aufweist, zwischen dem Tank 42 und der Düse 41
geschaltet, so daß Wasser im Tank 42 der Kathode 11 zugeführt
werden kann. Insbesondere ist eine Wasserleitung vom Tank 42
mit der Düse 41 über die Pumpe 46, einem Wasserdrucksensor 47
und einem Wassersprühdrucksteuerventil 48 verbunden. Wasser aus
dem Tank 42 wird durch das Steuerventil 48 so reguliert, daß es
einen optimalen Druck aufweist, mit dem es in den Lufteinlaß
verteiler 14 durch die Düse 41 gesprüht wird. Die Einspritzrate
des Wassers aus der Düse 41, das Eigengewicht des gesprühten
Wassers und der Luftstrom im Lufteinlaßverteiler 14 werden so
ausgewählt und miteinander kombiniert, daß es gestattet wird,
daß das gesprühte Wasser über die gesamte Oberfläche der Kathode
11 verteilt wird.
Wasser auf der Oberfläche der Kathode 11 wird latente Wärme
aus der Umgebungsluft und der Oberfläche selbst entziehen, um
zu verdampfen, was nicht nur eine Verdampfung von Wasser in der
Elektrolytmembran 12 verhindert, sondern auch dazu dient, die
Kathode 11 zu kühlen. Es ist wirksam, die Kathode 11 zu kühlen,
um eine Beschädigung der Elektroden 11, 13 und der Membran 12
infolge einer Reaktion des zugeführten Wassers und des verblei
benden Sauerstoffs, um eine Verbrennung oder Explosion zu ver
ursachen, zu verhindern, die in einem Anfangsbetriebsstadium
der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsvorrichtung 1 auftreten
könnte. Ein Spannungsmesser 50 mißt eine Spannung zwischen der
Kathode 11 und der Anode 13.
Die Arbeitsweise der Brennstoffzellenvorrichtung 1 dieser
Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 - Fig. 6 be
schrieben. Eine Steuereinheit 70, die einen Mikroprozessor und
einen Speicher 73 aufweist, ist in eine (in Fig. 1 nicht ge
zeigte) Steuerbox der Vorrichtung 1 eingebaut. Der Speicher 73
speichert Steuerprogramme, die den Betrieb der Steuereinheit 70
regeln. Verschiedene Parameter und Verweistabellen, die in
durch die Steuervorrichtung 70 ausgeführten Steuerprozeduren
verwendet werden sollen, sind ebenfalls im Speicher 73 gespei
chert.
Das Wasserstoffgaszuführsystem 20 wird wie folgt betrieben.
Während eines Anfangsbetriebsstadiums der Vorrichtung 1 bleibt
das Wasserstoffablaßventil 25 geschlossen, und ein Wasserstoff
gas-Zuführsteuerventil 23, das in einem Wasserstoffgaszuführ
durchgang 22 vorgesehen ist, wird so eingestellt, daß es ge
stattet wird, daß Wasserstoffgas einer vorherbestimmten Konzen
tration unter der Explosionsgrenze von einer Quelle 21 der Anode
13 zugeführt wird.
Während die Vorrichtung 1 in Betrieb gehalten wird, wobei
das Ventil 25 geschlossen ist, wird ein Partialdruck des Was
serstoffes im an der Anode 13 verbrauchten Gas schrittweise un
ter dem Einfluß von Stickstoff und Sauerstoff in der Luft, die
der Kathode 11 zugeführt wird, und des an der Kathode 11 er
zeugten Wassers, das durch die Elektrolytmembran 12 hindurch
dringt, verringert, was die elektrische Leistungsabgabe aus der
Brennstoffzelle 10 verschlechtert und unstabil macht. Folglich
wird das Ventil 25 entsprechend einem vorgeschriebenen Ventil
steuerprogramm geöffnet, um das verschlechternde Gas von der
Anode 13 abzulassen, um das Gas in der Anode 13 aufzufrischen.
Das Ventilsteuerprogramm ist im Speicher 73 gespeichert und
wird daraus durch die Steuereinheit 70 ausgelesen, um das Ventil
25 zu öffnen oder zu schließen und den Grad der Öffnung des
Ventils 23 zu steuern. In einer besonderen Ausführungsform ist
das Programm vorbereitet, das Ventil 25 über eine vorherbe
stimmte Periode (1 Sekunde zum Beispiel) zu öffnen, wenn die
durch den Spannungsmesser 50 gemessene Ausgangsspannung unter
einen vorherbestimmten kritischen Wert fällt. In einer anderen
Ausführungsform kann das Programm dazu bestimmt sein, mit Un
terbrechungen das Ventil 25 mit einem vorherbestimmten Inter
vall zu öffnen und zu schließen, das im wesentlichen dasselbe
oder geringfügig kürzer als eine experimentell bestimmte Zeit
spanne ist, in der die Ausgangsspannung nach dem Anfahren der
Brennstoffzelle 10 anfangen sollte, abzunehmen.
Das Luftzuführsystem 30 wird wie folgt arbeiten. Die atmo
sphärische Luft wird durch den Luftdurchgang 31 dem Lufteinlaß
verteiler 14 mit einem vorherbestimmten Druck zugeführt. Ein
Anteil des Ablaßgases von der Kathode 11 wird ins Äußere des
Systems abhängig vom Grad der Öffnung des Ventils 34 abgesogen,
das durch die Steuereinheit 70 entsprechend einem vorherbe
stimmten Luftablaßsteuerprogramm im Speicher 73 gesteuert wird.
In einer besonderen Ausführungsform jedoch wird das Ventil 34
einen festen Öffnungsgrad aufweisen, da der Wasserausgleich in
der Brennstoffzelle 10 durch das Wasserzuführsystem 40 auf eine
Weise gesteuert wird, die unten beschrieben wird.
Im Betrieb des Wasserzuführsystems 40 wird Wasser durch die
Pumpe 46 aus dem Tank 42 hochgepumpt und durch das Ventil 48 so
gesteuert, daß es einen optimalen Druck aufweist, das in der
Form von Wassertröpfchen auf die Oberfläche der Kathode 14 mit
tels der Düse 41 gesprüht wird, die am nahe der Kathode 11 an
geordneten Lufteinlaßverteiler angebracht ist. Die Wasserzu
führmenge wird durch die Steuereinheit 70 entsprechend einem
vorherbestimmten Wasserzuführsteuerprogramm im Speicher 73 ge
steuert.
Nun speziell auf den Ablaufplan der Fig. 4 bezugnehmend,
überwacht in dieser Ausführungsform die Steuereinheit 70 die
Ausgangsspannung zwischen der Kathode 11 und der Anode 13, die
durch den Spannungsmesser 50 gemessen wird, beim Schritt S11,
um eine optimale Sprühwassermenge abhängig von der gemessenen
Ausgangsspannung bei S12 zu berechnen. Diese Berechnung kann
durch Verwendung einer vorherbestimmten Formel oder Verweis
tabelle im Speicher 73 geschehen. Vorzugsweise wird die opti
male Sprühwassermenge so bestimmt, daß ein richtiger Feuchtig
keitszustand der Elektrolytmembran 12 und ein geeigneter Tem
peraturbereich der Brennstoffzelle 10 aufrecht erhalten wird.
Wie im folgenden beschrieben werden wird, kann die Brennstoff
zelle 10 selbst mit einer verhältnismäßig kleinen Sprühwasser
menge durch Nutzung der latenten Verdampfungswärme des Wassers
wirksam gekühlt werden. In Normalsteuerung fährt das Wasserzu
führsystem 40 an, wenn die Ausgangsspannung unter einen vorher
bestimmten Wert fällt oder wenn die Ausgangsspannung in einem
Bereich variiert, der größer als eine vorherbestimmte Breite
ist.
Dann berechnet die Steuereinheit 70 am Schritt S13 einen
optimalen Wasserdruck, der auf der so bestimmten optimalen
Sprühwassermenge beruht. Da es eine proportionale Beziehung
zwischen der Sprühwassermenge und dem Wasserdruck gibt, wovon
ein Beispiel in Fig. 5 gezeigt wird, ist eine gewisse Formel
oder Verweistabelle, die diese Beziehung repräsentiert, im
Speicher 73 gespeichert. In dieser Ausführungsform wird der
Öffnungsgrad des Ventils 48 an einem Umwälzdurchgang 49 einge
stellt, um den Druck des Wassers zu steuern, das durch die Düse
41 gesprüht wird, während der Antriebspumpe 46 eine konstante
Antriebsleistung zugeführt wird. Auf diese Steuerungsweise
nimmt der Sprühwasserdruck ab, wenn das Ventil 48 einen größeren
Öffnungsgrad aufweist. Dementsprechend führt bei Schritt S14
die Steuereinheit 70 die Rückkopplungssteuerung durch, in der
sie den Öffnungsgrad des Ventils 48 so steuert, daß der tat
sächliche Wasserdruck, der durch einen Wasserdrucksensor 47 ge
messen wird, identisch mit einem optimalen Sprühwasserdruck
wird, der bei S13 bestimmt worden ist. In einer anderen Steue
rung wird das Wasserzuführsystem 40 mit einem vorherbestimmten
konstanten Wasserdruck über ein vorherbestimmtes Zeitintervall
(5-10 Sekunden zum Beispiel) periodisch betrieben.
Fig. 6 ist der Ablaufplan, der die Steuerungsprozedur beim
Anfahren der Vorrichtung 1 zeigt. Wenn die Vorrichtung 1 durch
Betätigen eines (nicht gezeigten) Hauptschalters bei Schritt
S21 eingeschaltet wird, wird auch die Wasserpumpe 46 bei Schritt
S22 eingeschaltet. Wasser wird bei Schritt 23 aus der Düse 41
in einer gegebenen Menge gesprüht. Normalerweise wird die Wasser
sprühmenge reguliert, indem der Öffnungsgrad des Ventils 48
eingestellt wird, wie in einer Weise, die in Verbindung mit dem
Ablaufplan der Fig. 4 beschrieben worden ist. Um zu verhindern,
daß die Brennstoffzelle 10 beschädigt wird, was infolge der vor
her erwähnten außerordentlichen Reaktion stattfinden könnte,
soll Wasser in einer Menge, die größer als jene in der Normal
steuerung ist, zur Kathode 11 gesprüht werden. Dann werden das
Luftzuführsystem 30 und Wasserstoffzufürsystem 20 aufeinander
folgend an den Schritten S24 und S25 eingeschaltet. Nachdem die
Ausgangsspannung zwischen der Kathode 11 und Anode 13 einen vor
herbestimmten Pegel erreicht, wird sie tatsächlich einer äuße
ren Vorrichtung zugeführt.
Hinsichtlich der Zeit, wenn das Wasserstoffzuführsystem 20,
das Luftzuführsystem 30 und das Wasserzuführsystem 40 angefah
ren werden sollen, kann das Luftzuführsystem 30 vor oder nach
dem Anfahren des Wasserzuführsystems 40 angefahren werden. Das
Wasserstoffzuführsystem 20 kann vor dem Anfahren des Luftzu
führsystems angefahren werden, wobei in diesem Fall Schritt S25
dem Schritt S24 im Ablaufplan der Fig. 6 vorangeht. Jedoch ist
es absolut notwendig, das Wasserzuführsystem 40 zu starten, be
vor das Wasserstoffzuführsystem 20 zu arbeiten beginnt. Da es
unabhängig vom Betrieb des Luftzuführsystems 30 Luft in der Vor
richtung 1 gibt, könnte, wenn Wasserstoff zugeführt werden
sollte, während die Elektrolytmembran 12 noch nicht ausreichend
befeuchtet ist, eine außerordentliche Verbrennung stattfinden,
wie vorhergehend beschrieben worden ist, die mit einem Mal eine
Wärmemenge erzeugt, so daß die Temperatur der Brennstoffzelle
10 schnell erhöht wird, die nicht auf die normale Betriebstem
peratur durch eine daran angebrachte normale Kühlvorrichtung
abgekühlt werden könnte, was eine Beschädigung des Katalysator
und/oder der Elektrolytmembran 12 verursacht. Um eine solche
Beschädigung zu verhindern, ist es notwendig, Wasser auf die
Kathode 11 zu sprühen, bevor Wasserstoff der Anode 13 zugeführt
wird. Diese Art des Betriebes wird es unterstützen, daß die Mem
bran 12 richtig befeuchtet ist, und auch die erzeugte Wärme zur
Verdampfung des gesprühten Wassers nutzen.
Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen der Wasserzuführung auf
unterschiedliche Arten und der sich ergebenden Ausgangsspannung
aus dem Brennstoffzellenstapel der 200 W-Klasse. Die Ausgangs
spannungen in Fig. 7 zeigen Werte nach 15 Minuten nach dem An
fahren der Brennstoffzelle 10 an. Auf der Abszisse werden Strom
dichten der Belastung zwischen der Kathode 11 und der Anode 13
gezeigt. In Beispielen, die durch "keine Befeuchtung" bezeich
net werden, wird kein Wasser zugeführt, wobei in diesem Fall in
die Anode 13 eingebrachtes Wasserstoffgas der Kathode 11 nicht
zugeführt, sondern ins Freie abgelassen wird. In Beispielen,
die durch "Blasenbildner-Befeuchtung" (bubbler humidification)
bezeichnet wird, wird Dampf der Luft zugesetzt die der Kathode
11 zugeführt werden soll, und die Luft wird auf annährend 65°C
erwärmt, wie im herkömmlichen Brennstoffzellenbetrieb. Durch
"direktes Wassersprühen" werden Beispiele der vorliegenden Er
findung bezeichnet, in denen 2 g, 5 g, 10 g und 20 g Wasser normaler
Temperatur auf die Oberfläche der Kathode 11 pro Minute und pro
Zelle gesprüht werden.
Wie aus Fig, 7 entnommen werden kann, zeigen die Bespiele
der vorliegende Erfindung verhältnismäßig hohe Ausgangsspannun
gen, verglichen mit jenen der herkömmlichen Beispiele, die die
Befeuchtungsvorrichtung aufweisen. Der minimale Pegel der
Sprühwassermenge, der als noch wirksam erachtet wird, um die
Ausgangsspannung zu erzeugen, die vergleichbar mit der herkömm
lichen Brennstoffzelle ist, wird abhängig von der Art und Ge
staltung der Brennstoffzelle von Fall zu Fall variieren. Annä
hernd 30% der Gesamtwassermenge, die durch Luft verdampft wer
den kann, die durch die Kathode 11 strömt, sollten im üblichen
Fall als die minimale Menge des gesprühten Wassers erachtet wer
den.
Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen der Ausgangsspannung
und der Temperatur des Sprühwassers. Es wird deutlich, daß die
Ausgangsspannung auf einen Pegel erhöht werden kann, der im we
sentlichen identisch mit jenem der herkömmlichen Beispiele ist,
die die Befeuchtungsvorrichtung aufweisen, wenn die Temperatur
des Sprühwassers erhöht wird. Dementsprechend ist es vorzuzie
hen, das Wasser vorzuerwärmen, das der Kathode 11 zugeführt wer
den soll. Das Sprühwasser sollte sich vorzugsweise in einem Be
reich von 40-60°C befinden, bevorzugter in einem Bereich von
45-55°C befinden, und noch bevorzugter annähernd 50°C aufwei
sen.
Die folgenden Versuche wurden vorgenommen, um zu bestäti
gen, daß das Wassersprühen auf die Kathode auch wirksam ist,
die Brennstoffzelle zu kühlen. Die Versuchsvorrichtung war ähn
lich zu jener, die in Fig. 9 gezeigt wird, weist jedoch neun
Zellen 101 auf. Es wurde Wasser, das eine Temperatur von 40°C,
60°C oder 80°C aufwies, durch Kühlplatten 103 laufen gelassen,
um den Brennstoffzellenstapel 100 zu erwärmen. Die Temperatur
des Brennstoffzellenstapels 100 wurden nach dem Wassersprühen
unter unterschiedlichen Bedingungen gemessen, die zusammen mit
den Versuchsergebnissen in einer Tabelle der Fig. 11 gezeigt
werden.
In der Versuchsart Nr. 1-Nr. 4 lief Wasser von 40°C durch
die Kühlplatten 103, um einen Scheinbetriebszustand zu erzeu
gen, in dem der Brennstoffzellenstapel 100 bei 40°C arbeitet,
und Wasser wurde in unterschiedlichen Mengen auf die Kathode
gesprüht. In der Versuchsart Nr. 5-Nr. 8 lief Wasser von 60°C
durch die Kühlplatten 103, um einen Scheinbetriebszustand zu
erzeugen, in dem der Brennstoffzellenstapel 100 bei 60°C arbei
tet, und Wasser wurde in unterschiedlichen Mengen auf die Ka
thode gesprüht. Ebenso lief in der Versuchsart Nr. 9-Nr. 12
Wasser von 80°C durch die Kühlplatten 103, um einen Scheinbe
triebszustand zu erzeugen, in dem der Brennstoffzellenstapel
100 bei 80°C arbeitet, und Wasser wurde in unterschiedlichen
Mengen auf die Kathode gesprüht.
Fig. 12 zeigt die Beziehung zwischen der Temperaturdiffe
renz zwischen der Brennstoffzelle und der atmosphärischen Luft
und der Eigenwärmestrahlung, die durch die in Fig. 11 gezeigten
Versuchsergebnisse bestimmt wurden. Insbesondere wurden Daten
aus der Differenz zwischen der Wassertemperatur am Einlaß und
am Auslaß der Kühlplatten 103 in der Versuchsart Nr. 1, Nr. 5
und Nr. 9 erhalten, in der kein Wasser auf die Kathode gesprüht
wurde. Diese Versuchsergebnisse zeigen an, wie der Brennstoff
zellenstapel, der keine Kühleinrichtungen aufweist, nur durch
Eigenwärmestrahlung gekühlt wird. Wie in Fig. 12 gezeigt, be
trug die Eigenwärmestrahlung im Versuchsbrennstoffzellenstapel
höchstens 5 W pro Zelle. Es wird angenommen, daß die Eigenwär
mestrahlung gesenkt werden wird, wenn die Differenz zwischen
der Brennstoffzellentemperatur und der Temperatur der atmosphä
rischen Luft klein wird.
Fig. 13 zeigt die Beziehung zwischen der Sprühwassermenge
und der Kühlkapazität, die ebenfalls durch die in Fig. 11 ge
zeigten Versuchsergebnisse bestimmt wurde. Wie gezeigt, konnte
keine wesentlichen Veränderung der Kühlkapazität erkannt wer
den, selbst wenn die Sprühwassermenge zunimmt. Vielmehr wird
gefolgert, daß die Ablaßgastemperatur einen größeren Einfluß
auf die Kühlkapazität aufweist.
Fig. 14 zeigt die Beziehung zwischen der Sprühwassermenge
und der Kühlkapazität durch aufnehmbare Wärme, die ebenfalls
durch die in Fig. 11 gezeigten Versuchsergebnisse bestimmt
wurde. Die aufnehmbare Wärme bedeutet Wärme, die vom Brenn
stoffzellenstapel verbraucht oder entzogen wird, wenn das ge
sprühte Wasser (26°C) auf die jeweilige Ablaßgastemperatur
(33°C und 46°C in Fig. 14) angehoben wird, während das gesprühte
Wasser in einem flüssigen Zustand gehalten wird, das heißt, ohne
Verdampfung. Wie gezeigt, weist, obwohl die Kühlkapazität durch
aufnehmbare Wärme schrittweise mit der Sprühwassermenge erhöht
wird, jedoch vielmehr die Ablaßgastemperatur einen größeren
Einfluß auf die Kühlkapazität durch aufnehmbare Wärme des ge
sprühten Wassers auf.
Fig. 15 zeigt eine Beziehung zwischen der Sprühwassermenge
und der Kühlkapazität durch latente Wärme, die ebenfalls durch
die in Fig. 11 gezeigten Versuchsergebnisse bestimmt wurde. Die
latente Wärme bedeutet Wärme, die vom Brennstoffzellenstapel
durch Verdampfung des gesprühten Wassers verbraucht oder ent
zogen wird. Wie gezeigt, besteht eine Neigung, daß die Kühlka
pazität durch latente Wärme erhöht wird, wenn die Sprühwasser
menge abnimmt. Dennoch weist die Ablaßgastemperatur einen grö
ßeren Einfluß auf die Kühlkapazität durch latente Wärme des ge
sprühten Wassers auf.
Die in den Fig. 13-15 gezeigten graphischen Darstel
lungen zeigen, daß flüssiges Wasser, das auf die Oberfläche der
Kathode 11 gesprüht wird, Kühlkapazität durch aufnehmbare Wärme
(Fig. 14) und Kühlkapazität durch latente Wärme (Fig. 15) auf
weist, deren Stimme als Gesamtkühlkapazität auf der Ordinate der
graphischen Darstellung in Fig. 13 gezeigt wird. Als Ergebnis
des Experimentierens der Erfinder hinsichtlich der Kühlkapazi
tät des Wassersprühens in noch kleineren Mengen, als jene, die
in den Fig. 13-15 gezeigt werden, sind ähnliche Ergebnisse
erhalten worden. Genauer gesagt wird eine kleinere Menge des
Sprühwassers die Kühlkapazität durch aufnehmbare Wärme senken,
jedoch ausgleichend die Kühlkapazität durch latente Wärme er
höhen, um im wesentlichen dieselbe Gesamtkühlkapazität zu er
halten, wie sie aus der graphischen Darstellung in Fig. 13 zu
entnehmen ist. Die Menge des Wassers, das in einer besonderen
Gestaltung der Vorrichtung 1 gesprüht werden soll, sollte so
bestimmt werden, daß die maximale Kühlkapazität latenter Wärme
bereitgestellt wird, die tatsächlich vom Ausgangsvolumen aus
der Brennstoffzelle 10, ihrer Größe, ihrer Betriebstemperatur,
usw. abhängt. Da wie oben beschrieben auf jeden Fall die Sprüh
wassermenge nicht kritisch ist, gibt es kein Bedürfnis, Wasser
in einer großen Menge zu sprühen, da es natürlich hinsichtlich
der Größe und Kosten des Wasserzuführsystems 40 unerwünscht
ist.
Fig. 16 zeigt die Beziehung zwischen der Ablaßgastemperatur
und der Kühlkapazität durch latente Wärme, die ebenfalls durch
die in Fig. 11 gezeigten Versuchsergebnisse bestimmt wurde. Die
gepunktete Linie zeigt den vorhergesagten maximalen Wärmeerzeu
gungspegel pro Einheitsfläche (cm2) des Brennstoffzellenstapels
im Betrieb. Die durch einen durchgezogene Linie in Fig. 16 ge
zeigte Kühlkapazität, die mit der Ablaßgastemperatur erhalten
wird, die sich von 33°C bis 46°C erstreckt, erreicht nicht den
maximalen Pegel der Wärmeerzeugung des Brennstoffzellenstapels.
Es kann beobachtet werden, daß die Kühlkapazität durch latente
Wärme des gesprühten Wassers proportional mit der Ablaßgastem
peratur zunehmen wird. Dementsprechend sollte gefolgert werden,
daß wenn der Brennstoffzellenstapel bei einer Temperatur arbei
tet, die höher als 50°C ist, die Kühlkapazität durch latente
Wärme des gesprühten Wassers den maximalen Wärmeerzeugungspegel
des Brennstoffzellenstapels überschreitet, das heißt, eine aus
reichende Kühlkapazität während des Betriebs des Brennstoffzel
lenstapels erhalten werden könnte. Dies bedeutet, daß der er
findungsgemäße Brennstoffzellenstapel, in dem Wasser auf die
Kathode gesprüht wird, keine Kühlplatten 103 benötigt und eine
einfache Stapelanordnung aufweisen kann, wie in Fig. 10 ge
zeigt, was eine höhere Effizienz und ein niedrigeres Gewicht
des Brennstoffzellenstapels bereitstellt.
Wie im Detail beschrieben worden ist, entzieht gemäß der
vorliegenden Erfindung Wasser, das auf die Kathodenoberfläche
gesprüht wird, latente Wärme aus der umgebenden Luft, um eine
Verdampfung von Wasser in der Elektrolytmembran zu verhindern,
die daher in einem gewünschten Feuchtigkeitszustand verbleibt.
Wasser, das auf die Kathodenoberfläche gesprüht wird, wird auch
wirksam sein, die Brennstoffzelle und den Brennstoffzellensta
pel zu kühlen, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels im
Betrieb zu steuern, was bedeutet, daß keine zusätzliches Kühl
mittel dorthindurch geschickt werden muß. Das erfindungsgemäße
Brennstoffzellensystem weist eine einfache Konstruktion auf,
wird mit niedrigeren Kosten hergestellt und stellt eine verbes
serte Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit bereit.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit spezi
fischen Ausführungsformen derselben beschrieben worden ist, ist
zu verstehen, daß sie zu einer beträchtlichen Variation und Mo
difikation fähig ist, ohne den Rahmen der beigefügten Ansprüche
zu verlassen. Zum Beispiel ist die Wassersprühdüse vorzugsweise
am Lufteinlaßverteiler an der Kathode angebracht, kann aber an
jedem Ort und in jeder Entfernung von der Kathode vorgesehen
werden, soweit sie der Kathode flüssiges Wasser zuführen kann.
Wenn das Brennstoffzellensystem in einer Fabrik oder im Haus
halt installiert ist kann es an Wasserwerke gekoppelt werden,
so daß Stadtwasser der Kathode zugeführt wird.
Claims (13)
1. Brennstoffzellensystem, das aufweist: eine oder mehrere
Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode, eine Kathode und
eine Elektrolytmembran, die zwischen der Anode und der Ka
thode angeordnet ist, aufweisen; erste Gaszuführeinrichtun
gen, um ein erstes Gas, das Brennstoffgas aufweist, der An
ode zuzuführen; zweite Gaszuführeinrichtungen, um ein zwei
tes Gas, das Sauerstoff aufweist, der Kathode zuzuführen,
und Zuführeinrichtungen für flüssiges Wasser, um einer Ober
fläche der Kathode flüssiges Wasser zuzuführen.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Zuführ
einrichtungen für flüssiges Wasser Wasser auf die Oberfläche
der Kathode sprühen.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Zuführ
einrichtungen für flüssiges Wasser eine Düse zum Sprühen von
Wasser auf die Oberfläche der Kathode aufweisen.
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei die Düse an
einem Gaseinlaßverteiler angebracht ist, durch den das
zweite Gas der Kathode zugeführt wird.
5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Zuführ
einrichtungen für flüssiges Wasser flüssiges Wasser mit Un
terbrechungen zuführen.
6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das
ferner aufweist: einen Ausgangsleistungssensor zum Ermit
teln einer Ausgangsspannung zwischen der Anode und der Ka
thode und Wassersteuereinrichtungen zum Steuern einer Was
sermenge, die durch die Zuführeinrichtungen für flüssiges
Wasser als Reaktion auf die Ermittlung durch den Ausgangs
leistungssensor zugeführt werden soll.
7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das
ferner Wasserrückführungseinrichtungen aufweist, um minde
stens einen Anteil des Wassers, das durch die Brennstoff
zellenreaktion an der Kathode erzeugt wird, wieder zur Ka
thode zurückzuführen.
8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die Wasser
rückführungseinrichtungen aufweisen: Wassersammeleinrich
tungen zum Sammeln mindestens eines Anteils des Wassers, das
durch die Brennstoffzellenreaktion an der Kathode erzeugt
wird, einen Wassertank zum Aufnehmen und Aufbewahren des
Wassers, das durch die Wassersammeleinrichtungen gesammelt
wird, und einen Wasserrückführdurchgang, der zwischen den
Wassertank und die Zuführeinrichtungen für flüssiges Wasser
geschaltet ist, um der Kathode Wasser im Wassertank durch
die Zuführeinrichtungen für flüssiges Wasser zuzuführen.
9. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wo
bei die Elektrolytmembran eine Dicke aufweist, die es ge
stattet, daß Wasser, das durch die Brennstoffzellenreaktion
an der Kathode erzeugt wird, durch die Membran zur Anode
dringt.
10. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wo
bei die ersten Gaszuführeinrichtungen Befeuchtungseinrich
tungen ausschließen, die das erste Gas befeuchten, bevor es
in die Anode eintritt.
11. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
wobei flüssiges Wasser, das durch die Zuführeinrichtungen
für flüssiges Wasser zugeführt wird, ein Kühlmittel zum Küh
len der Brennstoffzellen aufweist.
12. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
wobei flüssiges Wasser, das durch die Zuführeinrichtungen
für flüssiges Wasser zugeführt wird, ein Kühlmittel zum Küh
len der Kathode aufweist.
13. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems
nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP36585097 | 1997-12-22 | ||
JP10067885 | 1998-03-02 | ||
EP99107418A EP1052717B1 (de) | 1997-12-22 | 1999-04-26 | Brennstoffzellenanlage |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19859485A1 true DE19859485A1 (de) | 1999-06-24 |
Family
ID=27239958
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19859485A Withdrawn DE19859485A1 (de) | 1997-12-22 | 1998-12-22 | Brennstoffzellensystem |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP1052717B1 (de) |
DE (1) | DE19859485A1 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1119065A2 (de) * | 2000-01-18 | 2001-07-25 | XCELLSIS GmbH | Brennstoffzellensystem |
DE10209808A1 (de) * | 2002-03-06 | 2003-09-25 | Gen Motors Corporotion Detroit | Wasservernebelungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zur Befeuchtung eines einem Brennstoffzellensystem zugeführten Gasstromes |
EP1348242A1 (de) * | 2000-11-02 | 2003-10-01 | International Fuel Cells, LLC | Verfahren zur vergrösserung der betriebseffizienz eines brennstoffzellen-kraftwerks |
DE102020100598A1 (de) * | 2020-01-14 | 2021-07-15 | Audi Aktiengesellschaft | Verfahren für den Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4686814B2 (ja) * | 1999-11-17 | 2011-05-25 | 株式会社エクォス・リサーチ | 燃料電池装置 |
FR2837025B1 (fr) * | 2002-03-07 | 2004-11-26 | Peugeot Citroen Automobiles Sa | Humidificateur de pile a combustible |
CA2595880A1 (en) * | 2005-01-25 | 2006-08-03 | Nuvera Fuel Cells, Inc. | Fuel cell power plants |
CN117638139B (zh) * | 2024-01-18 | 2024-04-02 | 武汉理工大学 | 提高燃料电池系统输出功率的集成水控制回路及方法 |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4795683A (en) * | 1987-07-23 | 1989-01-03 | United Technologies Corporation | High power density evaporatively cooled ion exchange membrane fuel cell |
DE4318818C2 (de) * | 1993-06-07 | 1995-05-04 | Daimler Benz Ag | Verfahren und Vorrichtung zur Bereitstellung von konditionierter Prozessluft für luftatmende Brennstoffzellensysteme |
JP3249282B2 (ja) * | 1994-02-07 | 2002-01-21 | 三菱重工業株式会社 | 固体高分子電解質燃料電池 |
EP0985239A1 (de) * | 1997-04-10 | 2000-03-15 | Magnet-Motor Gesellschaft Für Magnetmotorische Technik Mbh | Kühlung und befeuchtung von polymerelektrolyt-brennstoffzellen |
US5998054A (en) * | 1997-07-23 | 1999-12-07 | Plug Power, L.L.C. | Fuel cell membrane hydration and fluid metering |
-
1998
- 1998-12-22 DE DE19859485A patent/DE19859485A1/de not_active Withdrawn
-
1999
- 1999-04-26 EP EP99107418A patent/EP1052717B1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1119065A2 (de) * | 2000-01-18 | 2001-07-25 | XCELLSIS GmbH | Brennstoffzellensystem |
EP1119065A3 (de) * | 2000-01-18 | 2004-03-31 | Ballard Power Systems AG | Brennstoffzellensystem |
EP1348242A1 (de) * | 2000-11-02 | 2003-10-01 | International Fuel Cells, LLC | Verfahren zur vergrösserung der betriebseffizienz eines brennstoffzellen-kraftwerks |
EP1348242A4 (de) * | 2000-11-02 | 2007-05-02 | Utc Fuel Cells Llc | Verfahren zur vergrösserung der betriebseffizienz eines brennstoffzellen-kraftwerks |
DE10209808A1 (de) * | 2002-03-06 | 2003-09-25 | Gen Motors Corporotion Detroit | Wasservernebelungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zur Befeuchtung eines einem Brennstoffzellensystem zugeführten Gasstromes |
DE10209808B4 (de) * | 2002-03-06 | 2005-11-24 | General Motors Corporotion, Detroit | Wasservernebelungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zur Befeuchtung eines einem Brennstoffzellensystem zugeführten Gasstromes |
DE102020100598A1 (de) * | 2020-01-14 | 2021-07-15 | Audi Aktiengesellschaft | Verfahren für den Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP1052717B1 (de) | 2002-07-31 |
EP1052717A1 (de) | 2000-11-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102010053632B4 (de) | Brennstoffzellenbetriebsverfahren zur Sauerstoffabreicherung bei Abschaltung | |
DE19859504B4 (de) | Brennstoffzellensystem | |
DE60210464T2 (de) | Brennstoffzellenwiederbelebungsverfahren und vorrichtung | |
DE69302902T2 (de) | Konstantspannungs-brennstoffzelle mit verbesserter reaktantenversorgung und steuerungssystem | |
DE69533215T2 (de) | Polyelektrolytische Brennstoffzelle und Verfahren zur Betriebssteuerung | |
DE102010053628B4 (de) | Brennstoffzellenbetriebsverfahren für Wasserstoffzusatz nach Abschaltung | |
DE19859543A1 (de) | Brennstoffzellensystem | |
DE102010005294B4 (de) | Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Spülen von Wasser aus einem Brennstoffzellenstapel bei Systemabschaltung | |
DE69906551T2 (de) | Brennstoffzellensystem mit umgebungsdruck | |
DE69401130T2 (de) | Rückführung und feuchtigkeitsregelung von kathodenluft | |
DE102009023882B4 (de) | Brennstoffzellensystem und Verfahren zum zuverlässigen Starten desselben | |
DE102006003394A1 (de) | Brennstoffzellensystem, das die Stabilität seines Betriebs sicherstellt | |
DE102013101826B4 (de) | Verfahren und System zum Spülen von Wasser aus einem Brennstoffzellenstapel | |
DE102004013487A1 (de) | Brennstoffzellensystem | |
EP2025028B1 (de) | Verfahren zum regeln des drucks in einer anode einer brennstoffzelle und brennstoffzelle | |
DE10225215A1 (de) | Brennstoffzelle und Verfahren zum Betreiben derselben | |
DE102011017416B4 (de) | Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems | |
DE102017102354A1 (de) | Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und zum Einstellen einer relativen Feuchte eines Kathodenbetriebsgases während einer Aufheizphase | |
DE19859485A1 (de) | Brennstoffzellensystem | |
EP1352439B8 (de) | Pem-brennstoffzellenstapel mit kühlmediumverteilerstruktur | |
DE112005000646T5 (de) | Brennstoffzelle | |
DE112020005094T5 (de) | Konditionierungsverfahren einer brennstoffzelle | |
DE102011105405A1 (de) | Steuerung der RH (relativen Feuchte) des Stapelkathodeneinlasses ohne Rückkopplung einer RH-Erfassungsvorrichtung | |
EP4008035B1 (de) | Befeuchter, brennstoffzellenvorrichtung mit befeuchter sowie kraftfahrzeug | |
DE102009023880A1 (de) | Modifizierte Inbetriebnahmestrategie zur Verbesserung der Inbetriebnahmezuverlässigkeit nach längerer Abschaltzeit |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20140701 |