DE102012217279A1 - Brennstoffzelle mit einem Wassereinlass - Google Patents

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Stefan Haase
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Abstract

Bei einer Brennstoffzelle mit einem Anoden-Kathoden-Stapel und einem Wassereinlass zum Zuführen von Flüssigwasser zum Befeuchten des Anoden-Kathoden-Stapels ist der Wassereinlass mit einer in seiner Größe veränderbaren Öffnungsfläche gestaltet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEFC), Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)), mit einem Anoden-Kathoden-Stapel und einem Wassereinlass zum Zuführen von Flüssigwasser zum Befeuchten des Anoden-Kathoden-Stapels. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung einer solchen Brennstoffzelle an einem Kraftfahrzeug.
  • Brennstoffzellen, insbesondere solche von Hybrid-Kraftfahrzeugen, sind in bekannter Weise mit einem Anoden-Kathoden-Stapel (Bipolar-Plattenstapel) mit einer Vielzahl Anoden und Kathoden versehen, die jeweils mittels einer dazwischen angeordneten Membran getrennt sind. Damit an der Membran ein Elektronentransport stattfinden kann, muss die Membran mit Flüssigwasser befeuchtet sein. Dazu ist es vorgesehen, dass in den Anoden-Kathoden-Stapel durch einen Wassereinlass Flüssigwasser zugeführt werden kann. Je nach Leistungsbedarf der Brennstoffzelle ist die Menge an bereitzustellendem Flüssigwasser anzupassen, wozu derzeit zugehörige Fördereinrichtungen für das Flüssigwasser entsprechend in ihrer Förderleistung gesteigert oder heruntergeregelt werden.
  • Gemäß der Erfindung ist eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, mit einem Anoden-Kathoden-Stapel und einem Wassereinlass zum Zuführen von Flüssigwasser zum Befeuchten des Anoden-Kathoden-Stapels geschaffen, wobei der Wassereinlass mit einer in seiner Größe veränderbaren Öffnungsfläche gestaltet ist.
  • Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf der Erkenntnis, dass die relative Feuchte innerhalb des Bipolar-Plattenstapels bestimmend für das Bereitstellen von kurzfristigen Leistungsspitzen der zugehörigen Brennstoffzelle ist. Mit der Erfindung ist dazu gerade im hohen, dynamischen Betrieb eine besonders schnelle und starke Variation der pro Zeiteinheit eingeführten Flüssigwassermenge möglich. Durch einfache Veränderung der Größe der Öffnungsfläche des Wassereinlasses kann bei nahezu gleich bleibender Förderleistung der zugehörigen Fördereinrichtung besonders kurzfristig Flüssigwasser zu den Membranen gefördert werden. Auf diese Weise kann sehr kurzfristig die Luftbefeuchtung an den Membranen verändert und mit einer durch einen Phasenübergang von flüssig zu gasförmig verbundenen Kühlung ein schneller Anstieg der Leistung im dynamischen Verhalten der Brennstoffzelle erzeugt werden.
  • Bevorzugt ist dabei die Öffnungsfläche durch Bewegung zweier, jeweils die Öffnungsfläche begrenzender Grenzflächen relativ zueinander in ihrer Größe veränderbar. Eine solche Relativbewegung zweier Grenzflächen kann mit einfach anzusteuernden Aktuatoren realisiert werden. Dabei kann vorteilhaft eine der Grenzflächen ortsfest angeordnet sein und nur die andere Grenzfläche ist relativ zu dieser ortsfesten Grenzfläche beweglich geführt.
  • Besonders bevorzugt sind die Grenzflächen mit je einem Kreisring gebildet und die beiden Kreisringe sind relativ zueinander um einen gemeinsamen Mittelpunkt verdrehbar gestaltet. Die Drehung kann hinsichtlich ihres Drehweges und ihrer Drehgeschwindigkeit sehr präzise gesteuert werden. Zugleich kann bei der Drehung der eine Kreisring vorteilhaft an dem anderen Kreisring geführt werden.
  • Alternativ oder zusätzlich sind die Grenzflächen vorzugsweise mit je einer Zylinderfläche gebildet und die beiden Zylinderflächen sind relativ zueinander längs einer gemeinsamen Achse verschiebbar. Mit dem derart gebildeten Zylinder ist vorteilhaft ein Leitungspfad bzw. Gaspfad gebildet, in dem der Wasserhaushalt sehr schnell verändert werden kann. Dabei ist zugleich auch der Druck in dem Gaspfad sehr schnell steuerbar, so dass ein entsprechender Phasenübergang auch hinsichtlich der Drucksituation, welche neben der Temperatur mitentscheidend für den Phasenwechsel ist, präzise geregelt werden kann.
  • Bei dieser Weiterbildung bildet vorteilhaft eine der Grenzflächen zugleich eine Fixierung für den Anoden-Kathoden-Stapel. Diese Grenzfläche, welche wie oben erläutert bevorzugt als Zylinder gestaltet ist, erstreckt sich vorzugsweise quer durch den Anoden-Kathoden-Stapel und stützt dabei insbesondere auch einzelne Schichten des Stapels gegeneinander ab.
  • Besonders bevorzugt ist der Wassereinlass mit mehreren Öffnungen gestaltet, die über die Höhe des Anoden-Kathoden-Stapels hinweg verteilt an diesem angeordnet sind. Damit kann der Anoden-Kathoden-Stapel über seine gesamte Dicke hinweg gleichmäßig befeuchtet werden.
  • Für eine Verstellung der Größe der Öffnungsfläche des Wassereinlasses ist vorteilhaft ein Stellmechanismus vorgesehen, der mittels eines am Wassereinlass anstehenden Wasserdruckes gesteuert werden kann. Ein solcher Stellmechanismus reagiert also auf kleine Änderungen des Wasserdruckes und setzt diese dynamisch sehr schnell zu einer überhöhten Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Öffnungsfläche des Wassereinlasses um. Auf diese Weise wird die Dynamik der Variation in der Zuführung von Flüssigwasser erheblich gesteigert.
  • Alternativ oder zusätzlich wird eine Verstellung der Größe der Öffnungsfläche des Wassereinlasses mittels eines elektroaktiven Polymers gesteuert. Eine solche Verstellung lässt eine hochdynamische Variation der pro Zeiteinheit bereitgestellten Flüssigwassermenge auch ohne eine Veränderung des Drucks des zugeführten Flüssigwassers zu.
  • Die oben genannten Vorteile kommen besonders bei kleineren und mittelgroßen Brennstoffzellen zum Tragen. Entsprechend ist die Erfindung auch besonders auf eine Verwendung einer solchen Brennstoffzelle an einem Kraftfahrzeug gerichtet.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Anoden-Kathoden-Stapels mit dessen Wassereinlass,
  • 2 eine erste Variante des Wassereinlasses gemäß 1 in drei unterschiedlichen Stellpositionen und
  • 3 eine zweite Variante des Wassereinlasses gemäß 1, ebenfalls in drei unterschiedlichen Stellpositionen.
  • In der 1 ist von einer Brennstoffzelle 10 deren Anoden-Kathoden-Stapel 12 dargestellt, an dem aufeinandergestapelt eine Vielzahl plattenförmiger Anoden 14, Membranen 16 sowie Kathoden 18 vorzufinden sind. In dem grundsätzlich quaderförmigen Anoden-Kathoden-Stapel 12 ist eine zentrale, ebenfalls quaderförmige Aussparung 20 ausgebildet. Die Aussparung 20 erstreckt sich durch sämtliche Schichten bzw. Platten des Anoden-Kathoden-Stapels 12 und kann dabei im Querschnitt außer einer Rechteckform auch andere Formen aufweisen. In einer Ecke der derartigen Aussparung 20 befindet sich ein Wassereinlass 22 zum Zuführen von Flüssigwasser für eine Befeuchtung und Kühlung des Anoden-Kathoden-Stapels 12.
  • Der Wassereinlass 22 ist rohrförmig mit einem ersten Hohlzylinder 24 sowie einem zweiten Hohlzylinder 26 gebildet, der in den ersten Hohlzylinder 24 eingesteckt ist. Die beiden Hohlzylinder 24 und 26 erstrecken sich quer zu den Schichten des Anoden-Kathoden-Stapels 12 und bilden dabei mit ihrem jeweiligen Mantel eine Grenzfläche, mittels der Flüssigwasser in das Innere des Anoden-Kathoden-Stapels 12 eingeleitet werden kann.
  • Damit das zugeführte Flüssigwasser aus dem Inneren der Hohlzylinder 24 bzw. 26 nach radial außen in die Schichten und insbesondere an die Membranen 16 des Anoden-Kathoden-Stapels 12 gelangen kann, sind in den derartigen Grenzflächen mehrere Öffnungen 28 ausgebildet. Die Öffnungen 28 erstrecken sich jeweils radial durch die beiden Hohlzylinder 24 bzw. 26 hindurch und sind über die Höhe des Anoden-Kathoden-Stapels 12 hinweg gleichmäßig verteilt angeordnet.
  • Dabei überdecken sich bei den in 2 und 3 dargestellten Stellpositionen der beiden Hohlzylinder 24 und 26 je zwei der Öffnungen 28 derart, dass eine dabei entstehende Öffnungsfläche 30 in ihrer Größe veränderbar ist. Dazu werden die beiden Hohlzylinder 24 und 26, in denen ja die Öffnungen 28 ausgebildet sind, relativ zueinander versetzt. Dabei versetzen sich auch die Öffnungen 28 relativ zueinander, so dass sich verschieden große Öffnungsflächen 30 für das Ausströmen von Flüssigwasser ergeben.
  • Um die beiden Hohlzylinder 24 und 26 relativ zueinander zu versetzen, ist es gemäß 2 vorgesehen, diese relativ zueinander längs ihrer gemeinsamen Längsachse 32 zu verschieben. Die Hohlzylinder 24 und 26 bilden dabei je eine Zylinderfläche, wobei die Verschiebung der einen Zylinderfläche relativ zur anderen Zylinderfläche längs der Längsachse 32 die Größe der Öffnungsflächen 30 der Öffnungen 28 verändert.
  • In 3 ist eine andere Art der Veränderung der Größe der Öffnungsflächen 30 mittels der Hohlzylinder 24 und 26 dargestellt. Dazu wird einer der Hohlzylinder 24 bzw. 26, die im Querschnitt betrachtet ja jeweils einen Kreisring bilden, relativ zum anderen Hohlzylinder 26 bzw. 24 verdreht. Die Drehung erfolgt dabei um die Längsachse 32, die den Mittelpunkt dieser Relativdrehung darstellt. Auch mit dieser Relativverstellung der beiden Hohlzylinder 24 bzw. 26 sowie der zugehörigen Öffnungen 28 wird die Größe für sämtliche der Öffnungsflächen 30 verstellt. Zum Verstellen kann dabei aktiv auf zumindest einen der beiden Hohlzylinder 24 bzw. 26 eingewirkt werden, vorzugsweise auf den inneren Hohlzylinder 26. Dazu kann ein veränderlicher Wasserdruck für das Zuführen des Flüssigwassers insbesondere für eine Schiebeverstellung gemäß 2 genutzt werden, und mittels eines oder mehrerer elektroaktiver Polymerelemente (nicht dargestellt) kann insbesondere eine Drehverstellung gemäß 3 erfolgen.
  • Die derartige Wasserzuführung von Flüssigwasser in den Anoden-Kathoden-Stapel 12 ermöglicht eine regelbare Flüssigwasserbefeuchtung direkt an die Membranen 16. Über die gesamte Höhe des Anoden-Kathoden-Stapels 12 kann gleichzeitig geregelt Flüssigwasser zugeführt werden. Der äußere Hohlzylinder 24 kann zudem als Fixierung für die Schichten des Anoden-Kathoden-Stapels 12 dienen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Brennstoffzelle
    12
    Anoden-Kathoden-Stapel
    14
    Anode
    16
    Membran
    18
    Kathode
    20
    Aussparung
    22
    Wassereinlass
    24
    erster Hohlzylinder
    26
    zweiter Hohlzylinder
    28
    Öffnung
    30
    Öffnungsfläche
    32
    Längsachse

Claims (9)

  1. Brennstoffzelle (10) mit einem Anoden-Kathoden-Stapel (12) und einem Wassereinlass (22) zum Zuführen von Flüssigwasser zum Befeuchten des Anoden-Kathoden-Stapels (12), wobei der Wassereinlass (22) mit einer in seiner Größe veränderbaren Öffnungsfläche (30) gestaltet ist.
  2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Öffnungsfläche (30) durch Bewegung zweier, jeweils die Öffnungsfläche (30) begrenzender Grenzflächen (24, 26) relativ zueinander in ihrer Größe veränderbar ist.
  3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei die Grenzflächen (24, 26) mit je einem Kreisring gebildet sind und die beiden Kreisringe relativ zueinander um einen gemeinsamen Mittelpunkt verdrehbar sind.
  4. Brennstoffzelle nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Grenzflächen (24, 26) mit je einer Zylinderfläche gebildet sind und die beiden Zylinderflächen relativ zueinander längs einer gemeinsamen Achse verschiebbar sind.
  5. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei eine der Grenzflächen (24, 26) zugleich eine Fixierung für den Anoden-Kathoden-Stapel (12) bildet.
  6. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Wassereinlass (22) mit mehreren Öffnungen (28) gestaltet ist, die über die Höhe des Anoden-Kathoden-Stapels (12) hinweg verteilt an diesem angeordnet sind.
  7. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Verstellung der Größe der Öffnungsfläche (30) des Wassereinlasses (22) mittels eines am Wassereinlass (22) anstehenden Wasserdruckes gesteuert ist.
  8. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Verstellung der Größe der Öffnungsfläche (30) des Wassereinlasses (22) mittels eines elektroaktiven Polymers gesteuert ist.
  9. Verwendung einer Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 an einem Kraftfahrzeug.
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