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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein
System mit mehreren Zellen, die ein H2-reiches
Gas zum Erzeugen von Leistung verbrauchen.
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Hintergrund der Erfindung
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Brennstoffzellen
werden in vielen Anwendungen als Energiequelle verwendet. Zum Beispiel wurden
Brennstoffzellen zur Verwendung in elektrischen Fahrzeug-Antriebsanlagen
als Ersatz für Brennkraftmaschinen
vorgeschlagen. Bei Brennstoffzellen des Typs Protonenaustauschmembran
(PEM) wird der Anode der Brennstoffzelle Wasserstoff zugeführt und
der Kathode wird Sauerstoff als Oxidans zugeführt. PEM-Brennstoffzellen umfassen
eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen, protonendurchlässigen,
nicht elektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran, die auf
einer ihrer Seiten den Anodenkatalysator und auf der gegenüberliegenden
Seite den Kathodenkatalysator aufweist. Die MEA ist zwischen einem
Paar von elektrisch leitenden Elementen, die (1) als Stromkollektoren
für die
Anode und Kathode dienen und (2) geeignete Kanäle und/oder Öffnungen
darin zum Verteilen der gasförmigen
Reaktanden der Brennstoffzelle über
den Oberflächen
der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren
enthalten, sandwichartig eingeschlossen. Der Begriff Brennstoffzelle
wird abhängig
vom Zusammenhang typischerweise zum Bezeichnen entweder einer einzelnen
Zelle oder von mehreren Zellen (Stapel) verwendet. Mehrere einzelne
Zellen werden häufig
miteinander gebündelt,
um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, und werden häufig in
Reihe angeordnet. Jede Zelle in dem Stapel umfasst die vorstehend
beschriebene Membranelektrodenanordnung (MEA), und jede solche MEA
liefert ihren Spannungszuwachs. Eine Gruppe benachbarter Zellen
in dem Stapel wird als Cluster bezeichnet. Eine typische Anordnung
von mehreren Zellen in einem Stapel wird in dem an General Motors
Coporation übertragenen
U. S. Patent Nr. 5,763,113 beschrieben.
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Bei
PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff (1–12) das Anodenreaktand (d.
h. Brennstoff) und Sauerstoff ist das Kathodenreaktand (d. h. Oxidans). Der
Sauerstoff kann entweder eine reine Form (O2) oder
Luft (eine Mischung aus O2 und N2) sein. Die Festpolymerelektrolyten bestehen
typischerweise aus Ionenaustauschharzen, beispielsweise perfluorierter
Sulfonsäure.
Die Anode/Kathode umfasst typischerweise fein verteilte katalytische
Partikel, die häufig
an Kohlenstoffpartikeln angelagert und mit einem protonenleitenden
Harz gemischt sind. Die katalytischen Partikel sind typischerweise
teure Edelmetallpartikel. Diese Membranelektrodenanordnungen sind
in der Herstellung relativ teuer und erfordern für wirksamen Betrieb bestimmte
Bedingungen, einschließlich
ordnungsgemäßes Wassermanagement und
Befeuchtung sowie Steuerung von Katalysatorverunreinigungsbestandteilen
wie Kohlenmonoxid (CO).
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Bei
Fahrzeuganwendungen ist es erwünscht,
einen flüssigen
Brennstoff, beispielsweise einen Alkohol (z. B. Methanol oder Ethanol)
oder Kohlenwasserstoffe (z. B. Benzin) als Wasserstoffquelle für die Brennstoffzelle
zu verwenden. Solche flüssigen
Brennstoffe für
das Fahrzeug sind leicht an Bord zu speichern und es gibt eine landesweite
Infrastruktur für
die Versorgung mit flüssigen
Brennstoffen. Solche Brennstoffe müssen aber aufgespalten werden,
um ihren Wasserstoffanteil zum Versorgen der Brennstoffzelle freizusetzen.
Die Aufspaltungsreaktion wird in einem chemi schen Brennstoffprozessor
oder Reformer verwirklicht. Der Brennstoffprozessor enthält ein oder
mehrere Reaktoren, wobei der Brennstoff mit Dampf und manchmal mit
Luft reagiert, um ein Reformatgas, das vorrangig Wasserstoff und
Kohlendioxid umfasst, zu erhalten. Bei dem Dampfmethanolreformationsprozess
werden zum Beispiel Methanol und Wasser (als Dampf) idealerweise
reagiert, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen. In Wirklichkeit
werden auch Kohlenmonoxid und Wasser erzeugt. Bei einem Benzinreformationsprozess
werden Dampf, Luft und Benzin in einem Brennstoffprozessor reagiert,
der zwei Abschnitte enthält.
Einer ist vorrangig ein partieller Oxidationsreaktor (POX) und der
andere ist vorrangig ein Dampfreformer (SR, kurz vom engl. Steam
Reformer). Der Brennstoffprozessor erzeugt Wasserstoff, Kohlendioxid,
Kohlenmonoxid und Wasser. Nachgeschaltete Reaktoren können eine
Wasser/Gas-Shift-Reaktion (WGS)
und präferentielle
Oxidationsmittelreaktoren (PROX) umfassen. Bei dem PROX wird Kohlendioxid (CO2) unter Verwendung von Sauerstoff aus Luft
als Oxidans aus Kohlenmonoxid (CO) erzeugt. Hier ist die Steuerung
von Luftzufuhr wichtig, um CO selektiv zu CO2 zu
oxidieren.
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Brennstoffzellensysteme,
die einen Kohlenwasserstoffbrennstoff zum Erzeugen eines wasserstoffreichen
Reformats für
den Verzehr durch PEM-Brennstoffzellen
verarbeiten, sind bekannt und werden beschrieben in den gleichzeitig
vorliegenden U. S. Patentanmeldungen Serien-Nr. 08/975,422 und 08/980,087,
eingereicht im November 1997, und
U. S.
Serien-Nr. 09/187,125 , eingereicht im November 1998 und
jeweils General Motor Corporation, der Anmelderin der vorliegenden
Erfindung, übertragen;
sowie in der internationalen Anmeldungsveröffentlichung Nr.
WO 98/08771 , veröffentlicht am 5. März 1998.
Eine typische PEM-Brennstoffzelle und ihre Membranelektrodenanordnung
(MEA) werden in den
U. S.-Patenten
Nr. 5,272,017 und
5,316,871 ,
jeweils am 21. Dezember 1993 und am 31. Mai 1994 erteilt und General
Motors Corporation übertragen,
beschrieben.
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Die
die MEAs sandwichartig einschließenden elektrisch leitenden
Elemente können
eine Anordnung von Nuten in ihren Seiten zum Verteilen der gasförmigen Reaktanden
der Brennstoffzellen (d. h. Wasserstoff und Sauerstoff in Form von
Luft) über den
Oberflächen
der jeweiligen Kathode und Anode enthalten. In dem Brennstoffzellenstapel
sind mehrere Zellen zusammen in elektrischer Reihe gestapelt, wobei
sie voneinander durch eine gasundurchlässige, elektrisch leitende
Bipolarplatte getrennt sind. Zu diesem Zweck erfüllt die Bipolarplatte verschiedene Funktionen,
einschließlich
(1) als elektrisch leitendes Gastrenneinrichtungselement zwischen
zwei benachbarten Zellen; (2) zum Verteilen von Reaktandgasen über im Wesentlichen
der gesamten Oberfläche
der Membran; (3) zum Leiten elektrischen Stroms zwischen der Anode
einer Zelle und der Kathode der nächsten benachbarten Zelle in
dem Stapel; (4) zum Getrennthalten der Reaktandgase, um Selbstzündung zu
verhindern; (5) zum Vorsehen eines Trägers für die Protonenaustauschmembran; und
(6) in den meisten Fällen
zum Vorsehen innerer Kühldurchlässe darin,
die durch innere Wärmetauschflächen ausgebildet
sind und durch welche ein Kühlmittel
zum Abführen
von Wärme
aus dem Stapel strömt.
Die Bipolarplatte gleicht auch die Gasdrucklasten sowie die Kompressionslasten
an den Platten aus. Die Platte umfasst zum Beispiel mehrere Kanäle an einer
Seite und mehrere Kanäle
an der anderen Seite, wobei die Kanäle an einer jeweiligen Seite durch
Stege getrennt sind. Die Anordnung der Stege und der Kanäle an beiden
Seiten muss so sein, dass die Bipolarplatte den Kompressionslasten
widerstehen kann, so dass die Stege und Kanäle so ausgelegt sind, dass
sie nicht zusammensinken oder die Bipolarplatte verziehen. Die Bipolarplatte
umfasst Kanäle
zum Zuführen
des Wasserstoffs und Sauerstoffs zu einer Protonenaustauschmembrananordnung, die über den
Bipolarplatten liegt. Ein Stück
Graphitpapier wird über
die gewundenen Kanäle
gelegt, um ein Zusammensinken der Membran in den Kanal hinein und ein
Versperren des Gasstroms zu verhindern und um einen elektrischen
Leitungspfad von der Fläche
der Membran, die über
dem Kanal liegt, zur Bipolarplatte vorzusehen.
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Die
Bipolarplatten können
aus Metall bestehen, doch können
die Platten auch aus anderen Materialien gefertigt werden. Zum Beispiel
werden Bipolarplatten häufig
aus Graphit gefertigt, der (verglichen mit herkömmlichen Metallplatten) wenig
Gewicht aufweist, korrosionsbeständig
und in der PEM-Brennstoffzellenumgebung elektrisch leitend ist.
Graphit ist aber recht spröde,
was seine mechanische Handhabung erschwert, und hat verglichen mit
Metallen eine relativ niedrige elektrische und thermische Leitfähigkeit.
Schließlich
ist Graphit recht porös,
was es praktisch unmöglich
macht, sehr dünne
gasundurchlässige
Platten herzustellen, die für
Brennstoffzellenstapel geringen Gewichts, geringen Volumens und
geringen Innenwiderstands erwünscht
sind.
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Neutzler,
U. S. Patent Nr. 5,776,624 ,
offenbart eine Metallbipolarplatte und PEM-Anordnung dieser Kanalausführung. Diese
vorbekannten Bipolarplatten und PEM-Anordnungen sind schwer, sperrig
und schwer herzustellen und zusammenzubauen sowie teuer in der Fertigung.
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WO 00/02270 A offenbart
eine Leiterplatten-Trenneinrichtung für eine PEM-Brennstoffzelle. Die
Brennstoffzelle ist aus geschichteten, wellenförmigen MEA-Strukturen und Trennplatten
gebildet, die einander in der Stapelabmessung abwechseln, so dass
jede geschichtete MEA-Struktur zwischen einem zugeordneten Paar
von Trennplatten angeordnet und an diesem befestigt ist, um mindestens
eine separate Leitung an jeder Seite der geschichteten MEA-Struktur
zu bilden. Das Reaktandgas der Leitung kann durch die Struktur geleitet
werden, die aus PEM-Material gebildet ist, das zwischen einem Paar beabstandeter
Stromkollektoren mit Elektrokatalysatorpartikeln zwischen dem Membranmaterial
und jedem Stromkollektor geschichtet ist.
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JP 05029006 A offenbart
eine Brennstoffzelle mit einer elektrolytischen Schicht, die in
Wellenform ausgebildet ist. Stromkollektorkörper sind an beiden Seiten
der wellenförmigen
elektrolytischen Schicht ausgebildet, und Trenneinrichtungen sind
außerhalb
dieser Stromkollektorkörper
vorgesehen.
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Ein
effizienter Betrieb eines Brennstoffzellensystems hängt dagegen
von der Fähigkeit
der Brennstoffzelle ab, eine signifikante Menge elektrischer Energie
bei einer vorgegebenen Größe, einem
vorgegebenen Gewicht und vorgegebenen Kosten der Brennstoffzelle
zu erzeugen. Das Maximieren der elektrischen Energieabgabe der Brennstoffzelle
bei einer vorgegebenen Größe, einem
vorgegebenen Gewicht und vorgegebenen Kosten ist insbesondere in
Kraftfahrzeuganwendungen wichtig, bei denen Größe, Gewicht und Kosten aller
Fahrzeugkomponenten für
die effiziente Fertigung und den effizienten Betrieb des Fahrzeugs
besonders ausschlaggebend sind. Daher ist es insbesondere bei Kraftfahrzeuganwendungen
erwünscht,
eine Brennstoffzellekonstruktion vorzusehen, die eine größere Menge
an elektrischer Energie bei einer vorgegebenen Größe, einem vorgegebenen
Gewicht und vorgegebenen Kosten der Brennstoffzelle erzeugt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle
mit einer Membranelektrodenanordnung (MEA), die eine protonendurchlässige Membran,
eine katalytische Anodenschicht auf einer Seite der Membran und
eine katalytische Kathodenschicht auf der anderen Seite der Membran
umfasst; und einer elektrisch leitenden Verteilungsschicht an jeder
der Kathoden- und Anodenschichten, die ein Gasströmungsfeld
definiert, das sich über
jeder der katalytischen Schichten erstreckt.
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Erfindungsgemäß weist
die MEA eine gewellte Konfiguration auf. Diese Anordnung hat die Wirkung
der Vergrößerung des
Verhältnisses
der Membranfläche
zur nutzbaren ebenen Fläche
der Brennstoffzelle, wodurch die elektrische Ausgangsleistung der
Brennstoffzelle bei einer vorgegebenen nutzbaren ebenen Brennstoffzellenfläche verbessert wird.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung bildet jede Gasverteilungsschicht
eine gewellte Oberfläche
aus, die neben der jeweiligen katalytischen Schicht angeordnet ist.
Diese Anordnung maximiert die Kontaktgrenzfläche zwischen der MEA und den Gasverteilungsschichten,
wodurch die elektrische Ausgangsleistung der Zelle pro Einheit der
ebenen Fläche
weiter verbessert wird.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Oberfläche jeder
Gasverteilungsschicht gegenüber
der gewellten Oberfläche
im Allgemeinen eben. Diese Anordnung erleichtert das Stapeln einzelner
Zellen zum Bilden eines Brennstoffzellenstapels.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist jede Gasverteilungsschicht
aus einem leitenden porösen
Medium gebildet. Diese Anordnung erleichtert die Zufuhr der jeweiligen
Gase zu den jeweiligen katalytischen Schichten.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung umfasst das poröse Medium
ein Schaummedium. Diese Anordnung erlaubt die Verwendung von jeder zeit
verfügbarem,
relativ kostengünstigen
Schaummaterial zum Vorsehen des porösen Mediums. In der offenbarten
Ausführungsform
der Erfindung umfasst das Schaummedium entweder ein leitendes Graphitschaummedium
oder ein leitendes Metallschaummedium.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung bilden die MEA und die Gasverteilungsschichten
einen Schichtaufbau mit einem ersten und zweiten gegenüberliegenden
Rand; und jede Gasverteilungsschicht ist durch die Wellungen der
MEA in eine Vielzahl allgemein paralleler Segmente unterteilt, die sich
jeweils von dem ersten Rand zu dem zweiten Rand des Schichtaufbaus
erstrecken, wodurch eine Vielzahl allgemein paralleler poröser Reaktandenpfade
definiert wird, die sich über
jede katalytische Schicht erstrecken. Bei dieser Anordnung sind
die Gase durch die parallelen Pfade zur Bewegung in den jeweiligen
Pfaden beschränkt,
so dass wenig oder keine Quermigration zwischen den parallelen Pfaden
erfolgt, wodurch unabhängig
von unvermeidbaren und signifikanten Schwankungen der Porosität des Schaummaterials
des porösen
Mediums eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung von Gas über der
Oberfläche
der jeweiligen darunter liegenden katalytischen Schicht sichergestellt
wird, wodurch die dank der Wechselwirkung zwischen den Gasen und den
katalytischen Schichten erfolgende Erzeugung elektrischer Energie
maximiert wird.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung umfasst die Brennstoffzelle
weiterhin obere und untere allgemein ebene Gastrenneinrichtungen,
die eine Raum dazwischen ausbilden, und die MEA und die Gasverteilungsschichten
sind in dem Raum angeordnet, wobei die Scheitel der MEA nahe der
oberen Gastrenneinrichtung positioniert sind und die Täler der
MEA nahe der unteren Gastrenneinrichtung positioniert sind. Diese
Anordnung betont die Trennung der sich über jede katalytische Schicht
erstreckenden porösen
Reaktandenpfade.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung weist jede Gasverteilungsschicht
eine insgesamt gewellte Konfiguration auf, die der gewellten Konfiguration
der MEA entspricht, und ist in kämmender
Weise an einer jeweiligen katalytischen Schicht positioniert. Diese
Anordnung sieht eine Fläche
ungehinderten Gasstroms über
der Brennstoffzelle vor, was wiederum eine Verringerung der Gesamtgröße der Brennstoffzelle
ermöglicht,
während
sie innerhalb zulässiger
Druckabfallvorschriften bleibt.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung umfasst die Brennstoffzelle
weiterhin eine leitende untere, allgemein ebene Gastrenneinrichtung
und eine leitende obere, allgemein ebene Gastrenneinrichtung, die über der
unteren Gastrenneinrichtung positioniert ist und einen Raum dazwischen
festlegt, und die MEA ist in dem Raum mit aufeinander folgenden
Scheiteln an einer der Gasverteilungsschichten in elektrischem Kontakt
mit aufeinander folgenden Punkten auf der oberen Gastrenneinrichtung
und aufeinander folgenden Tälern
der anderen Gasverteilungsschicht in elektrischem Kontakt mit aufeinander
folgenden Punkten an der unteren Gastrenneinrichtung positioniert.
Diese Anordnung sieht die erforderliche elektrische Leitfähigkeit
durch die Brennstoffzelle vor, während
ein ungehindertes Strömen von
Gasen über
die katalytischen Schichten mit resultierender Verringerung der
Gesamtgröße der Brennstoffzelle
beibehalten wird.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Wellungen der MEA
ungleichmäßig, so
dass die oberen Kanäle
größer als
die unteren Kanäle
sind oder die unteren Kanäle
größer als
die oberen Kanäle
sind. Diese Anordnung erleichtert die Zufuhr ungleicher Mengen der
jeweiligen Gase zu den jeweiligen katalytischen Schichten. In der
offenbarten Ausführungsform
der Erfindung sind die abwechselnden Wellungen relativ breit, wodurch
die größeren Kanäle festgelegt
werden, und die verbleibenden Wellungen sind relativ schmal, wodurch
die kleineren Kanäle festgelegt
werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
verschiedenen Merkmale, Vorteile und anderen Verwendungen der vorliegenden
Erfindung gehen durch Heranziehen der folgenden Beschreibung und
Zeichnungen hervor. Hierbei zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems, das einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel
enthält;
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2 eine
schematische Ansicht des in 1 gezeigten
Brennstoffzellenstapels, der in einer bildlichen Darstellung einer
Kraftfahrzeuganwendung angeschlossen ist;
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3 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels;
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4 eine
Querschnittansicht entlang der Linie 4-4 von 3;
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5 eine
Detailansicht innerhalb des Kreises 5 von 4;
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6 eine
perspektivische Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle;
und
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7–10 Querschnittansichten
anderer Formen von erfindungsgemäßen Brennstoffzellen.
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Eingehende Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsformen
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Die
Erfindung lässt
sich unter Bezug auf das in 1 lediglich
beispielhaft gezeigte Brennstoffzellensystem besser verstehen. Daher
ist es vor einer weiteren Beschreibung der Erfindung sinnvoll, das System
zu verstehen, in dem die verbesserte Brennstoffzelle der Erfindung
arbeitet.
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1 veranschaulicht
ein Beispiel eines Brennstoffzellensystems. Das System kann in einem (nicht
dargestellten) Fahrzeug als Energiequelle für Fahrzeugantrieb verwendet
werden. In dem System wird Kohlenwasserstoff in einem Brennstoffprozessor zum
Beispiel durch Reformation und präferentielle Oxidationsprozesse
verarbeitet, um ein Reformatgas zu erzeugen, das einen relativ hohen
Wasserstoffgehalt auf Volumen- oder Molbasis aufweist. Daher wird auf
wasserstoffreich oder einen relativ hohen Wasserstoffgehalt verwiesen.
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Die
Erfindung wird nachstehend im Zusammenhang einer Brennstoffzelle
beschrieben, die durch H2-reiches Reformat
unabhängig
vom Verfahren, nach dem dieses Reformat hergestellt ist, versorgt
wird. Es versteht sich, dass die hierin enthaltenen Grundsätze auf
Brennstoffzellen anwendbar sind, die durch ein von einer beliebigen
Quelle erhaltenes H2, einschließlich reformierbarer
Kohlenwasserstoff und wasserstoffhaltige Brennstoffe wie Methanol,
Ethanol, Benzin, Alken oder andere aliphatische oder aromatische
Kohlenwasserstoffe, oder durch ein an Bord gespeichertes H2 versorgt werden.
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Wie
in 1 gezeigt wird, umfasst eine Brennstoffzellenvorrichtung
einen Brennstoffprozessor 2 zum katalytischen Reagieren
eines reformierbaren Kohlenwasserstoffbrennstoffstroms 6 und Wasser
in Form von Dampf aus einem Wasserstrom 8. Bei manchen
Brennstoffprozessoren wird auch Luft in einer Kombination aus präferentieller
Oxidation/Dampfreformierreaktion verwendet. In diesem Fall nimmt
der Brennstoffprozessor 2 auch einen Luftstrom 9 auf.
Der Brennstoffprozessor enthält
ein oder mehrere Reaktoren 12, wobei der reformierbare Kohlenwasserstoffbrennstoff
in Strom 6 bei Vorhandensein von Wasser/Dampf 8 und
manchmal Luft (in Strom 9) einer Aufspaltung unterzogen
wird, um das wasserstoffreiche Reformat zu erzeugen. Weiterhin kann
jeder Reaktor 12 ein oder mehrere Reaktorbetten umfassen.
Der Reaktor 12 kann einen oder mehrere Abschnitte oder
Betten aufweisen, und es sind vielerlei Auslegungen bekannt und
einsetzbar. Daher kann die Auswahl und Anordnung von Reaktoren 12 unterschiedlich
sein; und ein beispielhafter Brennstoffreformationsreaktor bzw.
beispielhafte Brennstoffreaktionsreaktoren 14 und ein nachgeschalteter Reaktor
bzw. nachgeschaltete Reaktoren 16 werden unmittelbar nachstehend
beschrieben.
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Zum
Beispiel werden in einem beispielhaften Dampf/Methanol-Reformationsprozess
Methanol und Wasser (als Dampf) idealerweise in einem Reaktor 14 reagiert,
um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen, wie bereits im technischen
Hintergrund beschrieben wurde. In Wirklichkeit werden auch Kohlenmonoxid
und Wasser erzeugt. Als weiteres Beispiel werden in einem beispielhaften
Benzinreformationsprozess Dampf, Luft und Benzin in einem Brennstoffprozessor
reagiert, der einen Reaktor 14 umfasst, der zwei Abschnitte
aufweist. Ein Abschnitt des Reaktors 14 ist vorrangig ein
partieller Oxidationsreaktor (POX) und der andere Abschnitt des
Reaktors ist vorrangig ein Dampfreformer (SR). Wie im Fall der Methanolreformation
erzeugt Benzinreformation den erwünschten Wasserstoff, erzeugt
aber zusätzlich Kohlendioxid,
Wasser und Kohlenmonoxid. Daher ist es nach jeder Art von Reformation
erwünscht,
den Kohlenmonoxidgehalt des Produktstroms zu reduzieren.
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Demgemäß umfasst
der Brennstoffprozessor typischerweise auch ein oder mehrere nachgeschaltete
Reaktoren 16, beispielweise Wasser-Gas-Shift-Reaktoren (WGS) und
präferentielle Oxidationsreaktoren
(PROX), die zum Erzeugen von Kohlendioxid aus Kohlenmonoxid verwendet
werden, wie bereits im technischen Hintergrund beschrieben wurde.
Bevorzugt wird der anfängliche
ausgegebene Gasstrom des Reformats, der Wasserstoff, Kohlendioxid,
Kohlenmonoxid und Wasser umfasst, in einem präferentiellen Oxidationsreaktor
(PROX-Reaktor) 16 weiter behandelt, um die CO-Werte darin auf zulässige Werte,
zum Beispiel unter 20 ppm, zu senken. Dann wird während des
Betriebsmodus das H2-reiche Reformat 20 durch
ein Ventil 31 in den Anodenraum eines Brennstoffzellenstapels 22 geleitet. Gleichzeitig
wird Sauerstoff (z. B. Luft) aus einem Oxidansstrom 24 in
den Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels 22 geleitet.
Der Wasserstoff aus dem Reformatstrom 20 und der Sauerstoff
aus dem Oxidansstrom 24 reagieren in dem Brennstoffzellenstapel 22,
um Elektrizität
zu erzeugen.
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Abgas
oder Abfluss 26 aus der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 22 enthält etwas
nicht reagierten Wasserstoff. Das Abgas bzw. der Abfluss 28 von
der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 22 enthält etwas
nicht reagierten Sauerstoff. Durch eine Luftzufuhr, bevorzugt Kompressor 30,
wird Luft für
den Oxidansstrom 24 vorgesehen. Luft von der Luftzufuhr
(Kompressor 30) wird unter normalen Betriebsbedingungen
mittels eines Ventils 32 dem Brennstoffzellenstapel 22 zugeführt. Während des Einschaltens
wird aber das Ventil 32 betätigt, um Luft direkt zum Eingang
eines Brenners 34 zu leiten. Die Luft wird in dem Brenner 34 zum
Reagieren mit einem durch eine Leitung 46 zugeführten Brennstoff verwendet.
Die Verbrennungswärme
wird zum Erwärmen
verschiedener Teile des Brennstoffprozessors 2 genutzt.
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Zu
beachten ist, dass einige der Reaktionen, die in dem Brennstoffprozessor 2 auftreten,
endotherm sind und daher Wärme
erfordern; andere Reaktionen sind exotherm und erfordern Abführen von Wärme. Typischerweise
erfordert der PROX-Reaktor 16 Abführen von Wärme. Eine oder mehrere der
Reformationsreaktionen in dem Reaktor 14 sind typischerweise
endotherm und erfordern das Zuführen von
Wärme.
Dies wird typischerweise durch Vorwärmen von Reaktanden, von Brennstoff 6,
Dampf 8 und Luft 9 und/oder durch Erwärmen ausgewählter Reaktoren
verwirklicht.
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Wärme von
dem Brenner 34 erwärmt
während
des Startens ausgewählte
Reaktoren und Reaktorbetten in dem Brennstoffprozessor 2.
Der Brenner 34 erreicht das Erwärmen der ausgewählten Reaktoren
und Betten in dem Brennstoffprozessor nach Bedarf durch indirekte
Wärmeübertragung
auf diese. Typischerweise umfassen indirekt erwärmten Reaktoren einen Reaktionsraum
mit einem Einlass und einem Auslass. In dem Reaktionsraum liegen
die Betten in Form von Trägerelementsubstraten
vor, die jeweils eine das katalytisch aktive Material zum Verwirklichen
der erwünschten
chemischen Reaktionen tragende erste Oberfläche aufweisen. Eine zweite Oberfläche gegenüber der
ersten Oberfläche
dient zur Wärmeübertragung
von heißen
Gasen zu den Trägerelementsubstraten.
Ferner ist der Brenner 34 zum Vorwärmen des Brennstoffs 6,
des Wassers 8 und der Luft 9, die dem Brennstoffprozessor 2 als
Reaktanden geliefert werden, verwendbar.
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Zu
beachten ist, dass die dem Brennstoffprozessor 2 zugeführte Luft 9 in
einem oder mehreren der Reaktoren 12 verwendet werden kann.
Wenn der Reaktor 14 ein Benzinreformationsreaktor ist,
dann wird dem Reaktor 14 Luft von der Leitung 9 zugeführt. Der
PROX-Reaktor 16 nutzt ebenfalls Luft zum Oxidieren von
CO zu CO2 und erhält ebenfalls mittels Leitung 9 Luft
von der Luftzufuhrquelle (Kompressor 30).
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Der
Brenner 34 bildet eine Kammer 41 mit einem Einlassende 42,
einem Auslassende 44 und einem katalytischen Abschnitt 48 zwischen
den Enden aus. Kohlenwasserstoff-Brennstoff wird in den Brenner
eingespritzt. Der Kohlenwasserstoff-Brennstoff wird, falls er in
flüssiger
Form ist, entweder vor dem Einspritzen in den Brenner oder in einem
Abschnitt des Brenners verdampft, um den Brennstoff zur Verbrennung
zu dispergieren. Die Verdampfung kann durch ein elektrisches Heizelement
erfolgen. Sobald das System arbeitet und der Brenner sich erwärmt hat,
kann Verdampfung durch Wärmeaustausch
unter Nutzung von Wärme
von dem Brennerabgas erfolgen, um hereinkommenden Brennstoff zu
verdampfen. Bevorzugt ist eine Brennstoffdosiervorrichtung 43 zum
Steuern der Rate, bei der dem Brenner Kohlenwasserstoff-Brennstoff
geliefert wird, vorgesehen.
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Der
Kohlenwasserstoff-Brennstoff 46 und der Anodenabfluss 26 werden
in dem Katalysatorabschnitt 48 des Brenners 34 reagiert,
der zwischen den Einlass- und Auslassenden 42 bzw. 44 des
Brenners 34 liegt. Dem Brenner 34 wird abhängig von Systembetriebsbedingungen
entweder von der Luftzufuhr (d. h. Kompressor 30) mittels
des Ventils 32 oder von einem zweiten Luftstrom, beispielsweise
einem Kathodenabflussstrom 28, Sauerstoff geliefert. Ein
Ventil 50 erlaubt die Freisetzung des Brennerabgases 36 an
die Atmosphäre,
wenn das Erwärmen von
Reaktoren in dem Brennstoffprozessor 2 nicht erforderlich
ist.
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Wie
ersichtlich ist, ergänzt
der Kohlenwasserstoff-Brennstoffstrom 46 nach Bedarf den
Anodenabfluss 26 als Brennstoff für den Brenner 34,
um die Anforderungen transienter und stationärer Zustände der Brennstoff zellenvorrichtung
zu erfüllen.
In manchen Situationen tritt Abgas durch einen Regler 38,
ein Absperrventil 39 und einen Dämpfer 49, bevor es
an die Atmosphäre
abgelassen wird. In 1 bedeuten die Zeichen wie folgt:
V ist Ventil, MFM ist Durchflussmesser, T ist Temperaturüberwachung,
R ist Regler, C ist die Kathodenseite, A ist die Anodenseite der
Brennstoffzelle, INJ ist Injektor und COMP ist Kompressor.
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Der
von den ausgewählten
Reaktoren in dem Brennstoffprozessor 2 geforderte Wärmebetrag,
der dem Brenner 34 zuzuführen ist, hängt von der Menge an eingebrachtem
Brennstoff und Wasser und letztendlich von der Sollreaktionstemperatur
in dem Brennstoffprozessor 2 ab. Wie bereits erwähnt wird manchmal
auch Luft in dem Brennstoffprozessorreaktor verwendet und muss ebenfalls
zusammen mit dem eingebrachten Brennstoff und Wasser berücksichtigt
werden. Zum Bereitstellen der Wärmeforderung
des Brennstoffprozessors 2 nutzt der Brenner 34 das
gesamte Anodenabgas bzw. den gesamten Anodenabfluss und möglicherweise
etwas Kohlenwasserstoff-Brennstoff. Zum Ermitteln des Betrags an
Kathodenabgas, der dem Brenner 34 zum Erfüllen der
Solltemperaturforderungen des Brenners 34 zuzuführen ist,
werden Enthalpiegleichungen verwendet, und der Brenner 34 erbringt
letztendlich die von dem Brennstoffprozessor 2 geforderte
Wärme.
Der Sauerstoff bzw. die Luft, die dem Brenner 34 geliefert werden,
umfasst abhängig
davon, ob die Vorrichtung in einem Anlaufmodus arbeitet, in dem
ausschließlich der
Kompressorluftstrom genutzt wird, oder in einem Betriebsmodus arbeitet,
der den Kathodenabfluss 28 und/oder Kompressorluft nutzt,
eines oder beides von: Kathodenabflussabgas 28, das typischerweise ein
Prozentsatz des gesamten der Kathode des Brennstoffzellenstapels 22 gelieferten
Sauerstoffs ist, und einem Kompressorausgabeluftstrom. In dem Betriebsmodus
wird jeglicher vom Brenner 34 benötigter Luft-, Sauerstoff- oder
Verdünnungsmittelgesamtbedarf,
der nicht von dem Kathodenabfluss 28 erfüllt wird,
von dem Kompressor 30 in einer Menge zugeführt, die
die von dem Brenner 34 bzw. dem Brennstoffprozessor 2 geforderte
Temperatur und Wärme erfüllt. Die
Luftsteuerung wird mittels eines Luftverdünnungsventils 47 umgesetzt,
das bevorzugt ein durch einen Schrittmotor betriebenes Ventil mit
einer verstellbaren Öffnung
zum Steuern des Ablassbetrags des Kathodenabgases 28 ist,
das dem Brenner 34 zugeführt wird.
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In
dieser beispielhaften Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung
ist der Betrieb wie folgt. Zu Beginn des Betriebs, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung
kalt ist und anläuft:
(1) wird der Kompressor 30 durch einen Elektromotor betrieben,
der von einer externen Quelle (z. B. einer Batterie) gespeist wird,
um die erforderliche Systemluft vorzusehen; (2) wird Luft in den
Brenner 34 eingelassen; wird Kohlenwasserstoff-Brennstoff 46 (z.
B. MeOH oder Benzin) in den Brenner 34 eingespritzt; (3)
reagieren die Luft und der Brennstoff in dem Brenner 34,
wo eine im Wesentlichen vollständige
Verbrennung des Brennstoffs bewirkt wird; und (4) werden die aus
dem Brenner 34 austretenden heißen Abgase zu den dem Brennstoffprozessor 2 zugeordneten
ausgewählten Reaktoren 12 befördert.
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Sobald
die Reaktoren in dem Brennstoffprozessor 2 eine ausreichende
Temperatur erreicht haben, beginnt der Reformationsprozess, und
der Prozess umfasst Folgendes: (1) Ventil 32 wird aktiviert, um
Luft zur Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 22 zu
leiten; (2) dem Brennstoffprozessor 2 werden Brennstoff
und Wasser zugeführt,
um die Reformationsreaktion einzuleiten; (3) aus dem Brennstoffprozessor 2 austretendes
Reformat wird der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 22 zugeführt; (4) Anodenabfluss 26 aus
dem Brennstoffzellenstapel 22 wird in den Brenner 34 gelenkt;
(5) Kathodenabfluss 28 aus dem Brennstoffzellenstapel 22 wird
in den Brenner 34 gelenkt; (6) der Brennstoff, die Luft, der
Kathodenabfluss 28 und der Anodenabfluss 26 werden
in dem Brenner 34 verbrannt. Bei einem bevorzugten Ablauf
wird Schritt (2) zuerst zusammen mit dem Zuführen von Luft direkt zum Brenner
implementiert. Wenn der wasserstoffreiche Strom einen ausreichend
niedrigen CO-Wert hat, werden dann die Schritte (1) und (3) ausgeführt, gefolgt
von den Schritten (4), (5) und (6).
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Unter
bestimmten Bedingungen könnte
der Brenner 34 allein mit Anoden- und Kathodenabflüssen, ohne Notwendigkeit zusätzlichen
Kohlenwasserstoff-Brennstoffs 46, arbeiten. Unter derartigen Bedingungen
wird die Brennstoffeinspritzung zum Brenner 34 eingestellt.
Unter anderen Bedingungen, z. B. Anheben von Leistungsforderungen,
wird zusätzlicher
Brennstoff 46 vorgesehen, um das Aaus (26) zu
dem Brenner 34 zu ergänzen.
Es ist ersichtlich, dass der Brenner 34 mehrere Brennstoffe
erhält, beispielsweise
Kohlenwasserstoff-Brennstoff sowie einen Anodenabfluss 26 von
der Anode des Brennstoffzellenstapels 22. An Sauerstoff
verarmte Abgasluft 28 von der Kathode des Brennstoffzellenstapels 22 und
Luft aus dem Kompressor 30 werden ebenfalls dem Brenner 34 zugeführt.
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Nach
dem vorliegenden Brennstoffzellenbeispiel steuert ein in 1 gezeigtes
Steuergerät 52 verschiedene
Aspekte des in 1 gezeigten Betriebs des Systems.
Das Steuergerät 52 kann
jeden geeigneten Mikroprozessor, Mikrokontroller, Arbeitsplatzrechner,
etc. umfassen, der einen zum Ausführen eines Steuerprogramms
fähigen
Hauptprozessor und in einem Speicher gespeicherte Daten aufweist. Das
Steuergerät 52 kann
ein dediziertes Steuergerät eigens
für eine
der Komponenten von 1 sein oder kann in einer in
dem elektronischen Hauptsteuermodul des Fahrzeugs gespeicherten
Software implementiert sein. Auch wenn in verschiedenen vorstehend
beschriebenen Betriebsarten softwarebasierte Steuerprogramme zum
Steuern von Systemkomponenten verwendbar sind, versteht sich ferner,
dass die Steuerung auch zum Teil oder ganz durch eine dedizierte
elektronische Schaltung implementiert werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Brennstoffzellensystem den Brennstoffzellenstapel 22 als
Teil eines Fahrzeugantriebssystems 60 (siehe 2).
Hier umfasst ein Teil des Systems 60 eine Batterie 62,
einen Elektromotor 64 und zugehörige Ansteuerelektronik einschließlich eines
Umrichters 65, der dafür
konstruiert und ausgelegt ist, elektrische Energie von einem dem
Brennstoffzellensystem und insbesondere dem Brennstoffzellenstapel 22 zugeordneten
Gleichspannungswandler 61 aufzunehmen und sie in vom Motor 64 erzeugte
mechanische Energie umzuwandeln. Die Batterie 62 ist dafür konstruiert
und ausgelegt, von dem Brennstoffzellenstapel 22 zugeführte elektrische
Energie aufzunehmen und zu speichern und von dem Motor 64 während regenerativen
Bremsens zugeführte
elektrische Energie aufzunehmen und zu speichern und dem Motor 64 elektrische
Energie zu liefern. Der Motor 64 ist mit einer Antriebsachse 66 verbunden,
um Räder
eines (nicht dargestellten) Fahrzeugs zu drehen. Ein elektrochemisches
Steuermodul 70 der Brennkraftmaschine (EECM) und ein Batteriepackungsmodul
(BPM) 71 überwachen
verschiedene Betriebsparameter, einschließlich aber nicht ausschließlich die
elektrische Spannung und den elektrischen Strom des Stapels. Dies
erfolgt zum Beispiel durch das Batteriepackungsmodul (BPM) 71 oder durch
das BPM 71 und das EECM 70 gemeinsam, um beruhend
auf den von dem BPM 71 überwachten Bedingungen
ein Ausgangssignal (Meldung) an das Fahrzeugsteuergerät 74 zu
senden. Das Fahrzeugsteuergerät 74 steuert
den Elektromotor 64, die Ansteuerelektronik einschließlich Umrichter 65,
den Gleichspannungswandler 61 und fordert von dem EECM 70 einen
Leistungspegel.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft den Brennstoffzellenstapel 22 und
insbesondere den Aufbau des Brennstoffzellenstapels, wodurch der
Brennstoffzellenstapel ohne Leistungseinbuße leichter, kleiner und kostengünstiger
ausgelegt werden kann oder umgekehrt bei einer vorgegebenen Brennstoffzellengröße eine
größere elektrische
Ausgangsleistung vorsehen kann. Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel
ist in 3 schematisch und perspektivisch ersichtlich.
Grob gesehen werden Reformat 20 und Luft 24 dem
Brennstoffzellenstapel in der vorstehend beschriebenen Weise zugeführt und
an Sauerstoff verarmte Luft 28 sowie Wasserstoffabfluss 26 werden
aus dem Stapel abgelassen.
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Zusammengefasst
umfasst der Stapel mehrere Brennstoffzellen 76, die in
einer gestapelten Anordnung ausgelegt sind. Es versteht sich, dass
der Brennstoffzellenstapel weiterhin eine (nicht dargestellte) geeignete
Krümmerstruktur
zum Liefern des Reformats 20 und des Oxidansstroms 24 zu
einzelnen Zellen und zum Ablassen von verarmter Luft 28 und
Wasserstoffabfluss 26 aus den Zellen umfasst. Ein Krümmer der
allgemeinen Art, der zur Verwendung mit dem Brennstoffzellenstapel 22 geeignet
ist, wird zum Beispiel in der gleichzeitig anhängigen und der Anmelderin der
vorliegenden Erfindung übertragenen
U. S. Patentanmeldung Serien-Nr. 09/651,934 gezeigt.
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Jede
Brennstoffzelle 76 umfasst (5 und 6)
eine MEA 78, eine obere Gasverteilungsschicht 80,
eine untere Gasverteilungsschicht 82, eine obere Gastrennplatte 84 und
eine untere Gastrennplatte 86.
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Jede
MEA 78 umfasst eine Ionomermembran 88 in Form
einer dünnen
protonendurchlässigen nicht
elektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran (SPE-Membran),
eine Anodenelektrodenkatalysatorschicht 90 auf der oberen
Seite der Membran und eine Kathodenelektrodenkatalysatorschicht 92 auf
der unteren Seite der Membran.
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Wie
bekannt ist, sieht die SPE-Membran
88 Ionentransport zum
Erleichtern von Reaktionen in dem Brennstoffzellenstapel
22 vor.
Die Elektroden der Brennstoffzelle sehen Protonenübertragung durch
engen Kontakt zwischen den Elektroden und der Ionomermembran vor,
um einen im Wesentlichen kontinuierlichen Polymerkontakt für diese
Protonenübertragung
vorzusehen. Diese Festpolymerelektrolytmembran (SPE-Membran)
88 ist
im Stand der Technik als ionenleitendes Material gut bekannt. Typische
SPE-Membranen werden in den
U.
S. Patenten Nr. 4,272,353 und
3,134,697 sowie im Journal of Power
Sources, Band 29 (1990), Seiten 367–387, beschrieben.
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Die
SPE-Membranen oder -lagen sind Ionenaustauschharzmembranen. Die
Harze umfassen Ionengruppen und deren polymere Struktur, wobei ein
Ionenbestandteil derselben durch die Polymermatrix festgelegt oder
festgehalten wird und mindestens ein anderer Ionenbestandteil ein
bewegliches ersetzbares Ion ist, das dem festen Bestandteil elektrostatisch
zugeordnet ist. Die Fähigkeit
des beweglichen Ions, unter geeigneten Bedingungen durch andere
Ionen ersetzt zu werden, verleiht diesen Materialien Ionenaustauscheigenschaften.
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Jede
der Elektroden 90, 92 ist aus einer entsprechenden
Gruppe von fein verteilten Kohlenstoffpartikeln und sehr fein verteilten
katalytischen Partikeln und einem sich mit den Partikeln vermischenden protonenleitenden
Material gebildet. Zu beachten ist, dass sich die die Anodenelektrode
bildenden Kohlenstoffpartikel von den die Kathodenelektrode bildenden
Kohlenstoffpartikeln unterscheiden können. Zudem kann sich die Katalysatorbeladung
an der Anodenelektrode von der Katalysatorbeladung an der Kathodenelektrode
unterscheiden. Auch wenn sich die Eigenschaften der Kohlenstoffpartikel
und die Katalysatorbeladung von Anodenelektrode zu Kathodenelektrode
unterscheiden können,
ist die Grundstruktur der beiden Elektroden ansonsten im Allgemeinen ähnlich.
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Um
zur Reaktion einen durchgehenden Pfad zum Leiten von H+-Ionen
zum Katalysator vorzusehen, ist das protonenleitende Material in
jeder der Elektroden verteilt, ist mit den Kohlenstoff- und den katalytischen
Partikeln vermischt und ist in mehreren der durch die katalytischen
Partikel festgelegten Poren angeordnet.
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Die
MEA 78 weist eine gewellte Konfiguration und wie in der
bevorzugten Ausführungsform
von 4 ersichtlich im Einzelnen eine ungleichmäßige oder
asymmetrische trapezförmige
Konfiguration auf, die relativ schmale Wellungen 78a umfasst,
die sich mit relativ breiten Wellungen 78b abwechseln.
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Jede
Gasverteilungsschicht 80/82 ist aus einer Lage
aus einem leitenden porösen
Medium und im Einzelnen aus einem leitenden Schaummedium gebildet.
Der bevorzugte Schaum ist offenzellig und kann entweder ein leitendes
Graphitschaummedium oder ein leitendes Metallmedium umfassen. Das
leitende Graphitschaummedium kann zum Beispiel ein graphitiertes
pyrolytisches Material umfassen, und das leitenden Metallschaummedium
kann einen hochwertigen Edelstahl oder eine Metalllegierung mit einem
niedrigen Kontaktwiderstand, beispielsweise Inconel 601 oder
Edelstahl 310, umfassen.
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Jede
Gasverteilungsschicht 80/82 weist eine trapezförmige Konfiguration
auf, die der trapezförmigen
Konfiguration der MEA 78 entspricht, so dass Schicht 80,
MEA 78 und Schicht 82 in einer puzzle-artigen
Weise zusam menpassen. Im Einzelnen weist die obere Gasverteilungsschicht 80 eine
trapezförmige
untere Fläche 80a,
die der trapezförmigen
Konfiguration von MEA 78 entspricht, und eine im Allgemeinen
ebene obere Fläche 80b auf,
und die untere Gasverteilungsschicht 82 weist eine trapezförmige obere
Fläche 82a,
die der trapezförmigen
Konfiguration von MEA 78 entspricht, und eine im Allgemeinen
ebene untere Fläche 82b auf.
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Jede
Gastrennplatte 84/86 weist eine ebene Konfiguration
auf und ist bevorzugt aus einem leitenden Metallmaterial, beispielsweise
Edelstahl oder Titan, gebildet.
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In
der zusammengebauten Beziehung der in 5 ersichtlichen
Brennstoffzelle 22 ist die untere trapezförmige Seite 80a der
oberen Gasverteilungsschicht 80 an der oberen trapezförmigen Seite
der MEA 78 positioniert, die obere trapezförmige Seite 82a der
unteren Gasverteilungsschicht 82 ist an der unteren trapezförmigen Seite
der MEA 78 positioniert, die ebene obere Seite 80b der
oberen Gasverteilungsschicht 80 ist an der ebenen Unterfläche der oberen
Gastrenneinrichtung 84 positioniert und die ebene untere
Fläche 82b der
unteren Gasverteilungsschicht 82 ist an der ebenen oberen
Fläche
der unteren Gastrenneinrichtung 86 positioniert. Die obere
Gastrenneinrichtung 84 wird mit der oberen Seite der Schicht 80 in
einem Sinter-, Hartlöt-
oder Leitklebstoffprozess verbunden, und die untere Gastrenneinrichtung 86 ist
in ähnlicher
Weise mit der unteren Seite der Schicht 82 verbunden.
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Es
ist ersichtlich (4), dass die Scheitel 78c der
MEA 78 nahe der oberen Gastrennplatte 84 positioniert
sind, um eine Reihe von beabstandeten parallelen Kanälen 96 festzulegen,
die sich von der Längsseitenkante 22a des
Einlasses des Stapels zur Längsseitenkante 22b des
Auslasses des Stapels über
den Brennstoffzellenstapel erstrecken, und dass die Täler 78d der
MEA nahe der unteren Gastrenneinrichtung 86 positioniert
sind, um eine Reihe von parallelen beabstandeten Kanälen 98 festzulegen,
die sich von der Seitenkante 22a des Einlasses zu der Seitenkante 22b des
Auslasses über
den Brennstoffzellenstapel erstrecken. Dank der ungleichmäßigen oder
asymmetrischen Natur der trapezförmigen
Konfiguration der MEA sind die parallelen beabstandeten Kanäle 98 breiter
als die parallelen beabstandeten Kanäle 96, wodurch eine
größere Gasströmfähigkeit
vorgesehen wird. Die asymmetrische Konfiguration der MEA ermöglicht zum
Ausgleich der Tatsache, dass die Luft nur 21% O2 aufweist,
das Zuführen
von Luftmengen zu der Kathode der MEA, die größer als die Mengen an H2 oder Reformat sind, die der Anode der MEA
zugeführt
werden.
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Die
in 4 ersichtliche Brennstoffzellenstruktur umfasst
wie ersichtlich zwei gestapelte Brennstoffzellen 76, die
durch eine zwischen der oberen Gastrennplatte 84 der unteren
Brennstoffzelle und der unteren Gastrennplatte 86 der oberen Brennstoffzelle
positionierte Kühlschicht 104 getrennt
sind. Die Kühlschicht 104 kann
eine offenzellige Schaumstruktur ähnlich der für die Gasverteilungsschichten 80 und 82 verwendeten
Art umfassen und kann durch relativ dichte Schaumelemente 106, die
an beabstandeten Punkten entlang der Kühlschicht positioniert sind,
in parallele Segmente unterteilt sein, die sich von der Seitenkante
des Einlasses zur Seitenkante des Auslasses der Brennstoffzelle über die
Brennstoffzelle erstrecken.
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Bei
Einsatz wird das wasserstoffreiche Reformat 20 durch geeignete
Verteilung durch die kleinen Kanäle 96 zur
Reaktion mit der Anodenelektrode 90 der MEA gelenkt, während gleichzeitig
Luft mittels geeigneter Verteilung durch die relativ kleinen Kanäle 98 zur
Reaktion mit der Kathodenelektrode 92 der MEA geführt wird.
Wenn sich das wasserstoffreiche Re format durch die Kanäle 96 bewegt,
ist es durch die gewellte Konfiguration der MEA im Wesentlichen auf
die jeweiligen Kanäle 96 beschränkt, so
dass wenig oder keine Quermigration zwischen den parallelen Kanälen erfolgt,
um dadurch unabhängig
von unvermeidbaren und signifikanten Schwankungen der Porosität des Schaummaterials
des Schaummediums eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung von Wasserstoff über der
Oberfläche
der Anodenelektrode sicherzustellen, wodurch die Erzeugung elektrischer
Energie, die dank der Wechselwirkung zwischen dem Wasserstoff und
der Anodenelektrode erfolgt, zu maximieren. Die Gasstromverteilung über der
Anodenelektrode ist im Wesentlichen gleichmäßig, da der Widerstand gegenüber einem
Strömen die
ganze Beschränkung
entlang jedes Kanals ist, und somit statt Beeinträchtigenlassen
des gesamten Strömungsfelds
durch eine lokale Störung
Schwankungen der Porosität über die
Länge eines
Kanals gemittelt werden.
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Analog
ist die sich durch die breiten Kanäle 98 bewegende Luft
durch die gewellte Konfiguration der MEA auf die jeweiligen Kanäle beschränkt, so dass
wenig oder keine Querwanderung zwischen den parallelen Kanälen erfolgt,
wodurch unabhängig von
unvermeidbaren und signifikanten Schwankungen der Porosität des Schaummaterials
des Schaummediums eine im Wesentlichen gleichförmige Verteilung von Sauerstoff über der
Oberfläche
der Kathodenelektrode sichergestellt wird, wodurch die Erzeugung
elektrischer Energie, die dank der Wechselwirkung zwischen dem Sauerstoff
und der Kathodenelektrode erfolgt, maximiert wird.
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Weiterhin
und nach einer wichtigen Ausgestaltung der Erfindung maximiert die
gewellte Konfiguration der MEA das Verhältnis der Membranfläche zur
nutzbaren ebenen Fläche
der Brennstoffzelle, um die elektrische Ausgangsleistung der Brennstoffzelle für eine vorgegebene
nutzbare ebene Brennstoffzellenfläche zu steigern.
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Das
Kühlmittel,
zum Beispiel Wasser, das sich von der Seitenkante des Einlasses
zu der Seitenkante des Auslasses des Brennstoffzellenstapels durch
die Kühlschicht 104 bewegt,
ist durch die dichten Schaumstreifen 106 auf die jeweiligen
parallelen Segmente der Kühlschicht
beschränkt,
wodurch unabhängig
von unvermeidbaren und signifikanten Schwankungen der Porosität des Schaummaterials der
Kühlschicht
eine im Wesentlichen gleichförmige Verteilung
von Kühlmittel über den
Oberflächen
der Brennstoffzelle sichergestellt wird.
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Der
in 7 ersichtliche alternative Brennstoffzellenaufbau
entspricht im Allgemeinen dem in 4 ersichtlichen
Aufbau, mit der Ausnahme, dass die MEA 178 eine einheitliche
oder gleichmäßige trapezförmige Konfiguration
aufweist, so dass die durch die MEA festgelegten Kanäle 196 und 198 von
im Wesentlichen gleichem Volumen sind, so dass der Anoden- bzw.
Kathodenelektrode im Wesentlichen einheitliche Volumina an Reformat
und Luft zugeführt werden.
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Der
in 8 ersichtliche Brennstoffzellenaufbau ist im Allgemeinen ähnlich dem
Aufbau von 4, mit der Ausnahme, dass die
MEA 278 eine gleichmäßige sinusförmige Konfiguration
aufweist, die für
den Transport der Luft und des Reformats über die Brennstoffzelle wiederum
Kanäle ähnlicher Größe erzeugt.
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Der
in 9 ersichtliche Brennstoffzellenaufbau ist im Allgemeinen ähnlich dem
Aufbau von 4, mit der Ausnahme, dass die
MEA 378 eine gleichmäßige dreieckige
Konfiguration aufweist, so dass wiederum Durchlässe von im Wesentlichen gleicher
Größe für das Strömen des
Reformats und der Luft über
die Brennstoffzelle vorgesehen werden.
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Der
in 10 ersichtliche Brennstoffzellenaufbau ist im
Allgemeinen ähnlich
dem Aufbau von 8, mit der Ausnahme, dass die
Schaumgasverteilungsschichten 480 und 482 in einem
verdichtenden oder zerstoßenden
Prozess aus Schaumblöcken gleichmäßiger Dicke
gebildet sind, so dass die Dichte der Gasverteilungsschicht 482 von
einer minimalen Dichte nach der Scheitel 478a der MEA 478 zu
einer maximalen Dichte nahe den Tälern 478b der MEA 478 reicht
und die Dichte der Gasverteilungsschicht 480 von einer
minimalen Dichte nahe den Tälern 478b zu
einer maximalen Dichte nahe den Scheiteln 478a reicht.
Dadurch sind Gasverteilungsschichten maximaler Dichte nahe den Scheiteln
und Tälern
der MEA angeordnet, wodurch die Trennung zwischen den aufeinander
folgenden parallelen Wasserstoffreformatkanälen 496 und zwischen
den aufeinander folgenden parallelen Sauerstoffkanälen 498 weiter betont
wird, wodurch eine Querwanderung zwischen den parallelen Kanälen weiter
minimiert wird und eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung von Reformat
und Sauerstoff über
den Oberflächen
der jeweiligen Elektroden sichergestellt wird.