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Diese Erfindung betrifft allgemein
Brennstoffzellensysteme zur Erzeugung von Elektrizität aus einer elektrochemischen
Reaktion und insbesondere die Steuerung der Befeuchtung einer Elektrolytmembran
derartiger Brennstoffzellensysteme.
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Brennstoffzellensysteme umfassen
typischerweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die Elektrizität aus der
Umwandlung elektrochemischer Energie erzeugen, die aus der Reaktion
von reduzierenden und oxidierenden Mitteln (beispielsweise Wasserstoff
und ein Oxidationsmittel) resultiert. Brennstoffzellen sind für viele
Anwendungen als Energiequelle verwendet worden und können einen
verbesserten Wirkungsgrad, eine verbesserte Zuverlässigkeit
und Haltbarkeit wie auch geringere Kosten sowie Umweltvorteile gegenüber anderen Quellen
für elektrische
Energie vorsehen. Infolge des verbesserten Betriebs dieser Brennstoffzellen
gegenüber
anderen Energiequellen und insbesondere infolge der verringerten
Emissionen (d.h. praktisch keine schädlichen Emissionen) ist es
sehr attraktiv, mit Brennstoffzellen betriebene Elektromotoren als
Ersatz für Verbrennungsmotoren
zu verwenden.
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Ein üblicher Typ einer Brennstoffzelle
ist eine Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (PEM), die
eine dünne
Polymermembran verwendet, die für
Protonen, jedoch nicht für
Elektronen, durchlässig
ist. Die Membran in der PEM-Brennstoffzelle ist Teil einer Membranelektrodenanordnung
(MEA) mit einer Anode auf einer Seite der Membran und einer Kathode
auf der entgegengesetzten Seite. Die Membran besteht typischerweise
aus einem Ionentauscherharz, wie beispielsweise perfluorierter Sulfonsäure. Die
MEA ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Elemente
angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen
und geeignete Kanäle
und/oder Öffnungen
für die
Verteilung der gasförmigen
Reaktanden der Brennstoffzelle über
die Oberflächen
der jeweiligen Katalysatoren der Anode und Kathode enthalten.
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Bei PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff
(H2) der Anodenreaktand (d.h. Brennstoff),
und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d.h. Oxidationsmittel).
Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (d.h. O2)
oder als Luft (d.h. eine Mischung aus O2 und
N2) oder O2 in Verbindung
mit anderen Gasen vorliegen. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise
fein geteilte katalytische Partikel, die auf Kohlenstoffpartikeln
getragen und mit einem protonenleitenden Harz gemischt sind. Die
katalytischen Partikel sind typischerweise Edelmetallpartikel, wie
beispielsweise Platin. Somit sind die MEAs dieses Typs relativ teuer
herzustellen.
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Die MEAs erfordern auch gesteuerte
Betriebsbedingungen, um einen Betriebswirkungsgrad zu verbessern,
wie auch eine Schädigung
der Membran wie auch der Katalysatoren zu verhindern. Diese Betriebsbedingungen
umfassen eine richtige Wassersteuerung bzw. ein richtiges Wassermanagement
wie auch eine richtige Befeuchtung. Insbesondere wenn ein richtiges
Befeuchtungsniveau der Elektrolytmembran nicht beibehalten wird,
ist die Leistungsfähigkeit
der Zelle beeinträchtigt
(d.h. die Protonenleitfähigkeit
ist verringert und die Leistung; die durch die Zelle erzeugt wird,
fällt ab).
Fehler bei der Steuerung der Wasserniveaus der Membran können verhindern,
dass die Membran Wasserstoffionen richtig leiten kann, was in einem
Leistungsabfall der Brennstoffzelle resultiert. Wenn beispielsweise
die Zelle zu trocken ist, ist die Protonenleitfähigkeit verrin gert. Umgekehrt
ist es, wenn zu viel flüssiges
Wasser in der Brennstoffzelle an der Kathode vorhanden ist, nicht möglich, dass
Sauerstoff das verbleibende Wasser durchdringen und den Kathodenkatalysator
erreichen kann, wodurch ebenfalls die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle
verringert wird.
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Bisherige Brennstoffzellensysteme
verwenden typischerweise einen extern befeuchteten Luftstrom, um
das richtige Befeuchtungsniveau der Membrane der MEAs beizubehalten.
Somit wird kontinuierlich Wasser an das Brennstoffzellensystem geliefert,
was die Komplexität
wie auch Kosten weiter steigert.
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Daher ist es erwünscht, ein Brennstoffzellensystem
vorzusehen, dass den Bedarf nach Bereitstellung von reinem Wasser
von einer externen Quelle zur Befeuchtung der Einlassluft für das System
beseitigt, um ein richtiges Wassergleichgewicht der MEA aufrechtzuerhalten.
Somit ist ein weniger komplexes System, das einen trockenen Kathodenzufuhrstrom
aufweist, erwünscht.
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Ein Konstrukteur für Brennstoffzellensysteme
muss die Menge an überschüssigen Reaktandengasen bestimmen,
die der Brennstoffzelle über
das hinaus zugeführt
werden müssen,
was erforderlich ist, um den Strom zu stützen, der von der Zelle abgezogen
wird. Je kleiner die Menge an überschüssigem Gas
ist, um so größer ist
die Systemausbeute infolge einer Verbesserung bei der Kompressorlast
(Luftseite) und dem Brennstoffwirkungsgrad (Brennstoffseite), jedoch
verringert sich der Stapelwirkungsgrad (d.h. die Spannung) dabei. Somit
muss ein optimaler Kompromiss zwischen den Wirkungsgraden des Stapels,
des Kompressors und auch des Brennstoffs gesucht werden.
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Typischerweise wird die Entscheidung,
wie viel überschüssiges Gas
benötigt
wird, durch den Hochleistungs-Bemessungspunkt bestimmt. Dieser Punkt
ist typischerweise in einem Bereich der Polarisierungskurve gewählt, in
dem Massentransportbeschränkungen
für Reaktanden
langsam signifikant werden. Mit anderen Worten ist die Konzentration
von Reaktandengas an der Katalysatorschicht bezüglich der Konzentration des
Gases in den Gasverteilerkanälen
etwas abgereichert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Rate des Reaktandengebrauchs
hoch ist, wenn die Stromdichte hoch ist und die Lieferung des Rektandengases
nicht Schritt halten kann, wobei die Konzentration des Reaktandengases
abgereichert wird, wenn die Reaktion stattfindet.
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Die Menge an überschüssigem Gas, das der Brennstoffzelle
zugeführt
wird, kann auf verschiedene Arten ausgedrückt werden. Sie wird oftmals
als der Gebrauch bezeichnet. Ein Gebrauch von 80 % gibt den Prozentsatz
des Reaktanden an, der in der Brennstoffzelle verbraucht wird, um
Elektrizität
zu erzeugen. Eine andere Art, um dies zu bezeichnen, ist die Stöchiometrie,
die 100/Gebrauch beträgt.
Dies bedeutet, dass ein Gebrauch von 80% einer Stöchiometrie
von 1,25 entspricht. In diesem Fall kann man auch sagen, dass 25% überschüssiges Gas
der Brennstoffzelle zugeführt
werden. Moderne PEM-Brennstoffzellen sind typischerweise so ausgebildet,
dass sie bei einer Luftstöchiometrie
von 1,5 bis 2 und bei einer Brennstoffstöchiometrie von 1,05 bis 1,5
arbeiten.
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Im Stand der Technik wird die Reaktandenstöchiometrie über den
gesamten Stromdichtebereich angewendet oder sogar erhöht, wenn
die Stromdichte abgesenkt wird. Diese Betriebsmethode wie auch die
Auswirkungen auf die durchschnittliche Reaktandenkonzentration,
die als Molenbruch ausgedrückt
wird, sowohl in dem Gasverteilerkanal als auch der Katalysatorschicht
sind in 5 gezeigt. Bei
diesem Beispiel ist der Reaktand Sauerstoff mit einem Einlass-Molenbruch
(auf Trockenbasis) von 0,21, und die Stöchiometrie liegt über den
Stromdichtebereich konstant bei 2 (100% Überschussgas). An dem Stapelbemessungspunkt
von 1 A/cm2 ist der Reaktanden-Molenbruch
an der Katalysatorschicht bezüglich
derjenigen in dem Kanal abgereichert, wodurch sich eine Massentransportbeschränkung zeigt.
Wenn die Stromdichte verringert wird, wird die Massentransportbeschränkung entlastet
bzw. unterschritten, und die Konzentration an der Katalysatorschicht
steigt auf die Kanalkonzentration an.
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Die vorliegende Erfindung sieht ein
Brennstoffzellensystem mit einer MEA vor, die beispielsweise eine Polymerelektrolytmembran
(PEM) umfassen kann, die keine externe Befeuchtung der Einlassluft
erfordert, um richtige Membranbefeuchtungsniveaus beizubehalten.
Es wird eine Steuerung des Befeuchtungsniveaus über einen breiten Betriebsbereich
(beispielsweise unterschiedliche Stromdichten) vorgesehen, ohne
dass eine externe Reinwasserquelle benötigt wird. Unter diesen – Betriebsbedingungen
wirkt die Zelle selbst als ein Befeuchter zur Befeuchtung des Luftstroms.
Somit wird ein richtiges Befeuchtungsniveau für den Betrieb beibehalten,
ohne dass externes Wasser dem Kathodenstrom zugesetzt werden muss.
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Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung
ein Brennstoffzellensystem vor, das allgemein die Befeuchtung des
Luftstroms verringert, indem die stöchiometrische Durchflussrate
von Luft, die der Brennstoffzelle zugeführt wird, verringert wird,
wenn die Lastanforderungen an die Brennstoffzelle abnehmen. Somit
wird die Leistungsfähigkeit
bei niedrigen Stromdichten verbessert, indem der Bedarf an Wassergehalt
der PEM verringert wird (d.h. weniger Trocknungskraft aus einer
niedrigeren Luftdurchflussrate), wodurch die Protonenleitfähigkeit
der PEM gesteigert wird. Ferner wird durch Verringerung der Luftstöchiometrie
zusätzlich
zu der Luftdurchflussrate ein Betrieb eines Luftkompressors des
Systems reduziert, wodurch der Wirkungsgrad des Systems gesteigert
wird.
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Genauer sieht die vorliegende Erfindung
eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von Elektrizität aus der elektrochemischen
Reaktion von Wasserstoff und einem Oxidationsmittel vor, ohne dass
ein extern befeuchteter Luftstrom vorgesehen werden muss. Das Brennstoffzellensystem
umfasst allgemein zumindest eine Zelle, um den Wasserstoff und das
Oxidationsmittel einer Reaktion zu unterziehen und damit Elektrizität zu erzeugen,
und eine Steuerung, um die Luftdurchflussrate zu der Brennstoffzelle
basierend auf den Stromlastanforderungen der Brennstoffzelle einzustellen.
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Die Stromlastanforderungen des Brennstoffzellensystems
umfassen Stromdichteanforderungen, und die Steuerung ist derart
ausgebildet, um die Luftdurchflussrate zu vermindern, wenn die Stromdichteanforderung
abnimmt, und die Luftdurchflussrate zu steigern, wenn die Stromdichteanforderung
zunimmt.
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Die vorliegende Erfindung sieht auch
ein Verfahren zur Steuerung der Befeuchtung einer Elektrolytmembran
in einem Brennstoffzellensystem vor, das Elektrizität aus Wasserstoff
und einem Oxidationsmittel erzeugt, mit den Schritten, dass die
Stöchiometrie
einer Luftlieferung an das Brennstoffzellensystem basierend auf
den Stromlastanforderungen des Brennstoffzellensystems eingestellt
wird, wodurch das Befeuchtungsniveau der Elektrolytmembran gesteuert
wird.
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Das Verfahren umfasst, dass die Luftstöchiometrie
bei einer Zunahme der Stromdichte des Brennstoffzellensystems erhöht wird,
und die Luftstöchiometrie
bei einer Abnahme der Stromdichte des Brennstoffzellensystems verringert
wird.
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Somit sieht die vorliegende Erfindung
eine verbesserte Leistungsfähigkeit
einer Brennstoffzelle vor, die ohne einen extern befeuchteten Luftstrom
arbeitet. Insbesondere erfordert ein Brennstoffzellensystem, das gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, keine externe Quelle für Wasser,
das in den Kathodenluftstrom eingeführt werden muss, wodurch die
Komplexität
verringert wie auch die Zuverlässigkeit
des Systems gesteigert wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden nur
beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben,
in welchen:
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1 ein
schematisches Schaubild eines Brennstoffzellensystems mit einer
trockenen Kathodenzufuhr gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung ist;
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2 einen
schematischen Schnitt einer Membranelektrodenanordnung einer Brennstoffzellenanordnung
gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 ein
Diagramm der Stromdichte gegenüber
einem Zellenpotential für
verschiedene stöchiometrische
Luftdurchflussraten gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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4 ein
Diagramm der Stromdichte gegenüber
einem Hochfrequenzwiderstand für
verschiedene stöchiometrische
Luftdurchflussraten gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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5 ein
Diagramm der Stromdichte gegenüber
einer Reaktandenstöchiometrie
wie auch einem durchschnittlichen Reaktanden-Molenbruch für eine konstante Stöchiometrie
ist; und
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6 ein
Diagramm der Stromdichte gegenüber
einer Reaktandenstöchiometrie
wie auch einem durchschnittlichen Reaktanden-Molenbruch für eine variable Stöchiometrie
ist.
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Die vorliegende Erfindung sieht ein
Brennstoffzellensystem vor, das Brennstoffzellen mit Elektrolytmembranen
(beispielsweise PEMs) umfasst, die ohne einen extern befeuchteten
Luftstrom (d.h. mit einem trockenen Kathodenstrom) arbeiten. Der
Begriff "Brennstoffzellensystem" betrifft eine Vorrichtung,
die eine Brennstoffzelle umfasst, um Elektrizität aus einem elektrochemischen
Prozess zu erzeugen. Ferner betrifft der Begriff "Brennstoffzelle" eine einzelne Zelle
zur elektrochemischen Erzeugung von Elektrizität (beispielsweise eine einzelne
PEM-Brennstoffzelle), die Wasserstoff und ein Oxidationsmittel verwendet,
oder eine Vielzahl von Zellen in einem Stapel bzw. Stack oder einer
anderen Konfiguration, die eine Reihenschaltung der Zellen erlaubt,
um so eine erhöhte
Spannung zu erzeugen.
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Die vorliegende Erfindung hält das richtige
Befeuchtungsniveau der Membrane der Brennstoffzellen ohne die Verwendung
eines extern befeuchteten Luftstroms aufrecht, indem eine Luftstöchiometrie
zu den Membranen geändert
wird. Dies wird bezüglich
der gezeigten Brenn stoffzelle erläutert und ist unter Bezugnahme
auf die 1 und 2 beschrieben.
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In 1 ist
ein schematisches Schaubild eines Brennstoffzellenstapels 10 mit
einer trockenen Kathodenzufuhr gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Brennstoffzellenstapel 10 wird
mit Wasserstoff (H2) (bei 12) und Sauerstoff
(O2) (bei 14) oder Luft beliefert, wie es
in der Technik bekannt ist. Auslassdurchlässe 13, 15 für sowohl
den Brennstoff als auch das Oxidationsmittel der MEAs sind ebenfalls
vorgesehen, um mit Wasserstoff abgereichertes Anodengas (d.h. Anodenabfluss)
von dem Anodengasverteilerfeld und mit Sauerstoff abgereichertes
Wasser zu entfernen, das Kathodengas (d.h. Kathodenabfluss) von
dem Kathodengasverteilerfeld umfasst. Es sind Kühlmittelleitungen vorgesehen,
um flüssiges
Kühlmittel
an die bipolaren Platten nach Bedarf zu liefern bzw. von dort wieder
weg zu führen.
Ein Kompressor (oder Gebläse) 16 mit
variablem Betriebsbereich liefert Luft oder Sauerstoff an den Brennstoffzellenstapel 10.
Eine Steuerung 18 ist zur Steuerung des Betriebs des Kompressors 16 wie
auch anderer Komponenten des Brennstoffzellensystems vorgesehen.
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In 2 ist
ein Schnitt einer Brennstoffzellenanordnung 20 gezeigt,
die eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 22 umfasst. Die
Membranelektrodenanordnung 22 umfasst eine Membran 24,
eine Kathode 26 und eine Anode 28. Bevorzugt ist
die Membran 24 eine Protonenaustauschmembran (PEM). Die
Membran 24 ist schichtartig zwischen der Kathode 26 und
der Anode 28 angeordnet. Ein Kathodendiffusionsmedium 30 ist
schichtartig benachbart der Kathode 26 entgegengesetzt
der Membran 24 angeordnet. Ein Anodendiffusionsmedium 34 ist
schichtartig benachbart der Anode 28 entgegengesetzt der
Membran 24 angeordnet. Die Brennstoffzellenanordnung 20 umfasst
ferner einen Kathodendurch flusskanal 36 und einen Anodendurchflusskanal 38.
Der Kathodendurchflusskanal 36 empfängt und lenkt Sauerstoff oder
Luft (O2) von der Quelle an das Kathodendiffusionsmedium 30.
Der Anodendurchflusskanal 38 empfängt und lenkt Wasserstoff (H2) von der Quelle an das Anodendiffusionsmedium 34.
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In der Brennstoffzellenanordnung 20 ist
die Membran 24 eine für
Kationen durchlässige,
protonenleitende Membran mit H+-Ionen als
dem mobilen Ion. Das Brennstoffgas ist Wasserstoff (H2),
und das Oxidationsmittel ist Sauerstoff oder Luft (O2).
Da Wasserstoff als das Brennstoffgas verwendet wird, ist das Produkt
der Gesamtzellenreaktion Wasser (H2O). Typischerweise
wird das Wasser, das erzeugt wird, an der Kathode 26 abgestoßen, die
eine poröse
Elektrode mit einer Elektrokatalysatorschicht auf der Sauerstoffseite
ist. Das Wasser kann gesammelt werden, wenn es gebildet wird, und
von der MEA der Brennstoffzellenanordnung 20 auf eine beliebige
herkömmliche
Art und Weise weggeführt
werden.
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Die Zellenreaktion erzeugt einen
Protonenaustausch in einer Richtung von dem Anodendiffusionsmedium 34 zu
dem Kathodendiffusionsmedium 30. Auf diese Art und Weise
erzeugt die Brennstoffzellenanordnung 20 Elektrizität. Eine
elektrische Last 40 ist elektrisch über die MEA 22, nämlich eine
erste Platte 42 und eine zweite Platte 44 geschaltet,
um den Strom aufnehmen zu können.
Die Platten 42 und/oder 44 sind bipolare Platten,
wenn eine Brennstoffzelle benachbart einer jeweiligen Platte 42 oder 44 angeordnet
ist, oder sind Endplatten, wenn keine Brennstoffzelle benachbart
dazu angeordnet ist.
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Damit die Brennstoffzellenanordnung 10 effizient
arbeiten und die maximale Menge an Elektrizität erzeugen kann, muss sie richtig
be feuchtet werden. Bei Systemen nach dem Stand der Technik wird
der Luftstrom, der an den Kathodendurchflusskanal geliefert wird,
und/oder der Wasserstoffstrom, der an den Anodendurchflusskanal
geliefert wird, auf eine von verschiedenen in der Technik bekannten
Arten befeuchtet. Am gängigsten
ist die Verwendung eines Membranbefeuchters, in dem Wasserdampf
in die Reaktandenströme über eine
Wassertransportmembran (beispielsweise Naphion) eintritt. Alternativ
dazu kann die Membran 24 der Brennstoffzelle über Verwendung
von wassersaugenden Materialien befeuchtet werden, wie in den U.S.-Patenten
Nr. 5,935,725 und 5,952,119 offenbart ist, die hier durch Bezugnahme
eingeschlossen sind und Wasser von einem Reservoir an die MEA 22
leiten.
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Alternativ dazu kann Wasserdampf
oder ein Wassernebel (H2O) in sowohl den
Kathodenstrom als auch den Anodenstrom eingespritzt werden, um diese
Ströme
innerhalb des Brennstoffzellenstapels zu befeuchten. Bei einer noch
anderen Methode kann ein Sauerstoffstrom in den Wasserstoffstrom
des Anodendurchflusskanals 38 eingespritzt werden, damit
eine kleine Menge an H2 reagiert, um H2O zu erzeugen und damit den Wasserstoffstrom
zu befeuchten.
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Nach der Beschreibung des beispielhaften
Brennstoffzellensystems 10, das zur Reaktion von Wasserstoff
und einem Oxidationsmittel ausgebildet ist, um Elektrizität zu erzeugen,
und in dem die vorliegende Erfindung ausgeführt sein kann, wird nun ein
Verfahren zur Steuerung der Stöchiometrie
von Luft gemäß der vorliegenden
Erfindung erläutert.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Steuerung
der Stöchiometrie
von Luft, die an das Brennstoffzellensystem 10 geliefert
wird. Die Erfindung kann als Teil beispielsweise einer Steuerung 18 des
Brennstoffzellensystems 10 ausgeführt sein. Die vorliegende Erfindung
sieht eine Steuerung des Kompressors 16 zur Lieferung von
Luft an das Brennstoffzellensystem 10 vor. Bei der in 1 gezeigten bestimmten Ausführungsform
ist die Steuerung 18 programmierbar, um eine Steuerung
der Luftdurchflussrate zu dem Brennstoffzellenstapel 10 und
insbesondere der Luftstöchiometrie
zu den PEMs des Brennstoffzellenstapels 10 vorzusehen.
Genauer wird die Luftdurchflussrate an die Kathode des Brennstoffzellenstapels 10 bei
einer niedrigen Stromlastanforderung (d.h. einer niedrigen Stromdichteanforderung)
des Brennstoffzellenstapels 10 mit einer niedrigen stöchiometrischen
Durchflussrate geliefert, und bei einer hohen Stromlastanforderung
(d.h. einer hohen Stromdichteanforderung) des Brennstoffzellenstapels 10 wird
die Luftdurchflussrate an die Kathode des Brennstoffzellenstapels 10 mit
einer hohen stöchiometrischen
Durchflussrate geliefert. Als Ergebnis davon vermindert sich die
durchschnittliche Reaktandenkonzentration in dem Kanal mit der Last,
und die durchschnittliche Reaktandenkonzentration an der Katalysatorschicht
bleibt konstant. Durch Verringerung der Luftdurchflussrate bei Perioden
mit niedrigen Lastanforderungen sind die Befeuchtungsanforderungen
für die
PEM verringert. Es existiert eine kleine Stapelspannungseinbuße mit der
niedrigeren Reaktandenkonzentration an der Katalysatorschicht in
Bezug zu dem Fall mit konstanter Stöchiometrie. Jedoch wiegen die
Gesamtvorteile hinsichtlich den Kompressoranforderungen, wie auch
der Aufrechterhaltung einer guten Befeuchtung des Stapels insbesondere
mit nicht vollständig
befeuchteten Zufuhrströmen
diese Kosten bei weitem auf.
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Beispielsweise kann eine stöchiometrische
Durchflussrate von 2,0 (d.h. 2,0 x der molaren Durchflussrate von
Sauerstoff, der bei der elektrochemischen Reaktion reduziert wird)
bei einer Stromdichte von 1 A/cm2 erforderlich
werden, während
bei einer Stromdichte von 0,1 A/cm2 lediglich
eine stöchiometrische
Durchflussrate von 1,3 notwendig ist. Abhängig von den Anforderungen
des Brennstoffzellensystems und insbe sondere den Befeuchtungsanforderungen
der PEMs des Brennstoffzellenstapels 10 kann die Luftdurchflussrate
gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung eingestellt werden. Die Verringerung der
stöchiometrischen Durchflussrate
bei niedrigen Stromdichten verringert die Antriebskraft zum Austrocknen
der Membran, was in einer höheren
Protonenleitfähigkeit
in der PEM wie auch einer verbesserten Leistungsfähigkeit
resultiert. Wenn Stromdichteanforderungen zunehmen, werden Massenübertragungsbeschränkungen
bezüglich
Sauerstoff kritischer, und es wird notwendig, den Brennstoffzellenstapel 10 bei
einer Durchflussrate mit höherer Luftstöchiometrie
zu betreiben.
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Wie in 3 gezeigt
ist, kann für
niedrigere Stromdichteanforderungen eine höhere Zellenspannung mit einer
geringeren stöchiometrischen
Durchflussrate erreicht werden. Zusätzlich ist, wie in 4 gezeigt ist, der Hochfrequenzwiderstand
für die
niedrigere stöchiometrische
Durchflussrate auch niedriger, was eine bessere Befeuchtung der
Membran angibt. Diese Figuren zeigen die Ergebnisse für eine Zelle
mit 50 cm2, die bei 80°C arbeitet und einen Anodentaupunkt
von 80°C
wie auch eine trockene Kathode umfasst. Der Anodenzufuhrstrom umfasst
reinen Wasserstoff mit einer Stöchiometrie
von 2,0, und der Kathodenzufuhrstrom enthält Luft mit entweder einer
Stöchiometrie
von 1,4 oder 2,0. Der Einlassdruck beider Ströme beträgt 150 kPa absolut. Es sei
angemerkt, dass 3 eine
Stromdichte gegenüber
einem Zellenpotential in Volt für
sich ändernde
Stöchiometrien
der vorliegenden Erfindung zeigt. 4 zeigt
die Stromdichte gegenüber
dem Hochfrequenzwiderstand für
sich ändernde
Luftstöchiometrien
der vorliegenden Erfindung.
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Die folgenden beispielhaften Gleichungen
erlauben die Entwicklung einer Strategie zur Verminderung der Stöchiometrie
(Verringerung des überschüssigen Gases)
bei niedriger Stromdichte. Diese Glei chungen wurden dazu verwendet,
die Ausdrucke in 6 zu
erzeugen. Um die Analyse so einfach wie möglich zu halten, sind die Molenbrüche für die Gasströme auf Trockenbasis
dargestellt. Es sei auch angemerkt, dass die Ströme vollständig befeuchtet sind, und dass
der Gesamtdruck unabhängig
der Stromdichte konstant gehalten wird. Selbst erhebliche Abweichungen
von diesen Annahmen wirken sich auf die Ergebnisse nicht so aus,
dass die Schlüsse
der Analyse beeinträchtigt
wären.
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Die Auslasskonzentration eines Reaktanden
steht in Bezug zu der Einlasskonzentration durch die Stöchiometrie:
wobei y der Molenbruch des
Reaktanden (Wasserstoff oder Sauerstoff) und S die Reaktandenstöchiometrie angibt.
Das durchschnittliche Zellenverhalten steht in Bezug zu der durchschnittlichen
Reaktandenkonzentration in dem Gasverteilerkanal. Für Systeme
dieser Beschaffenheit, wenn die Reaktionsraten grob proportional zu
den Reaktandenkonzentrationen sind, ist eine logarithmisch Bemittelte
Konzentration (engl. log mean concentration) am repräsentativsten.
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Nun wird der Massentransport, der
die Reaktandenkonzentrationsdifferenz zwischen dem Kanal und der
Katalysatorschicht bestimmt, betrachtet. Die Stromdichte ist proportional
zu einem Massenübertra gungskoeffizienten
für den
Reaktanden und der Antriebskraft der Konzentrationsdifferenz für den Reaktandenmassentransport.
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i =
kmt(y
Kanal – y
Katalysator) (3)
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Der Fall des Konstruktionspunktes
für hohe
Stromdichte (d.h. Bemessungspunkt) ist durch hochgesetzte Sternchen
bezeichnet.
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i* =
kmt(y*Kanal – y*Katalysator) (4)
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Eine Verringerung der Stromdichte,
während
die Stöchiometrie
beibehalten wird, hat zur Folge, dass der Molenbruch des Reaktandengases
an der Katalysatorschicht zunimmt; wie in
5 gezeigt ist. Jedoch macht sich die
vorliegende Erfindung die Strategie zu eigen, die Stöchiometrie
abzusenken und
y
Katalysator konstant
zu halten, wenn die Stromdichte verringert wird. Diese Methode nutzt
die entlastete Massentransportbeschränkung durch Verringerung der
Stöchiometrie.
Dies hat _ auch die nützlichen
Auswirkungen, dass die Brennstoffzelle nicht so viel Gas befeuchten
muss, wobei die Gefahr eines Austrocknens gemindert ist. Unter Verwendung
der Gleichungen (3) und (4) oben sieht die Beziehung zwischen der
Stromdichte und der Bemessungsstromdichte vor:
wobei
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Dieser Transportwirkungsgrad an dem
Bemessungspunkt spiegelt die Abreicherung des Reaktanden in dem
Hochstromdichtezustand wider.
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6 wurde
unter Verwendung von Gleichung (5) mit den folgenden Parametern
aufgezeichnet: i* = 1 A/cm2, η*Transport = 0,5, yein =
0,21.
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Die Steuerung 18 der vorliegenden
Erfindung bestimmt die Stromdichte (oder Lastanforderung) für den Brennstoffzellenstapel
und stellt den Kompressor mit variablem Betriebsbereich demgemäß ein, um
eine optimale Luftstöchiometrie
gemäß den Optimierungskurven
beizubehalten, die in den 3 und 6 gezeigt sind. Wie für Fachleute
offensichtlich ist, kann ein Steuerplan unter Verwendung verschiedener
Luftstöchiometrieniveaus,
die wie in 3 gezeigt
graphisch dargestellt sein können,
und durch Auswahl des Luftstöchiometrieniveaus
entwickelt werden, das für
den gegenwärtigen
Stromdichtezustand das höchste
Zellenpotential vorsieht. Diese Verringerung der Luftstöchiometrie
bei niedriger Stromdichte verringert die Antriebskraft zum Austrocknen
der Membran, was zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit
infolge einer höheren
Protonenleitfähigkeit
in der Membran und den Katalysatorschicht n führt.
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Bevorzugt werden die verschiedenen
Aspekte des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 mit
der Steuerung 18 gesteuert, die einen Mirkoprozessor, Mikrocontroller,
Personalcomputer, etc. umfassen kann, der eine Zentralverarbeitungseinheit
besitzt, die in der Lage ist, ein Steuerprogramm wie auch in einem
Speicher gespeicherte Daten ausführen
zu können.
Beispielsweise kann die Luftsteuerstrategie der vorliegenden Erfindung
mit einer Überwachung
des Hochfrequenzwiderstandes kombiniert werden, wie in dem ebenfalls übertragenen
U.S. Patent Nr. 6,376,111 gezeigt ist, das hier vollständig durch
Bezugnahme eingeschlossen ist: Die Steuerung 18 kann eine
zweckgebundene Steuerung sein, die für eine der Komponenten (beispielsweise
zur Steuerung des Luftdurchflusses) spezifisch ist, oder kann als
Software implementiert sein, die in einem Steuermodul gespeichert
ist (beispielsweise einem elektronischen Hauptsteuermodul des Fahrzeugs). Ferner
sei angemerkt, dass, obwohl auf Software basierende Steuerprogramme
zur Steuerung von Systemkomponenten in verschiedenen Betriebsarten,
die hier beschrieben sind, anwendbar sind, die Steuerung auch teilweise
oder vollständig
durch eine zweckgebundene elektronische Schaltung implementiert
sein kann.
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Die Beispiele und anderen Ausführungsformen,
die hier beschrieben sind, sind lediglich beispielhaft und nicht
dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken. Äquivalente Änderungen,
Modifikationen wie auch Variationen der spezifischen Ausführungsformen
sind gemäß den folgenden
Ansprüchen möglich.
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Zusammengefasst sieht ein Brennstoffzellensystem
mit einem trockenen Kathodenstrom eine Feuchtigkeitssteuerung von
Brennstoffzellenmembranen vor, ohne dass extern befeuchtete Luft
benötigt
wird, wodurch die Komplexität
des Systems verringert wird. Die Stöchiometrie der Luft an das
System und insbesondere die Membrane der Brennstoff- zellen wird
gemäß von Stromdichteanforderungen
eingestellt. Die Luftstöchiometrie
wird gemäß von Lastanforderungen
erhöht
oder verringert. Richtige Membranbefeuchtungsniveaus werden beibehalten,
was in akzeptablen Protonenleitfähigkeitsniveaus
resultiert.
