DE19929472A1 - Verfahren zur Regulierung des Wasserhaushalts einer PEM-Brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zur Regulierung des Wasserhaushalts einer PEM-Brennstoffzelle

Info

Publication number
DE19929472A1
DE19929472A1 DE19929472A DE19929472A DE19929472A1 DE 19929472 A1 DE19929472 A1 DE 19929472A1 DE 19929472 A DE19929472 A DE 19929472A DE 19929472 A DE19929472 A DE 19929472A DE 19929472 A1 DE19929472 A1 DE 19929472A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
air
air flow
humidification
minimize
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE19929472A
Other languages
English (en)
Inventor
Ottmar Schmid
Felix Blank
Marco Friedrich
Cosmas Heller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Dornier GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dornier GmbH filed Critical Dornier GmbH
Priority to DE19929472A priority Critical patent/DE19929472A1/de
Publication of DE19929472A1 publication Critical patent/DE19929472A1/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04149—Humidifying by diffusion, e.g. making use of membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H01M16/003—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers
    • H01M16/006—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers of fuel cells with rechargeable batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04141—Humidifying by water containing exhaust gases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/0485—Humidity; Water content of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H01M16/003—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0082—Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regulierung des Wasserhaushalts einer PEM-Brennstoffzelle, wobei die Luftströmungsrichtung phasenweise umgekehrt wird. Gemäß der Erfindung wird die in die Brennstoffzelle einströmende Luft vor Eintritt in die Brennstoffzelle befeuchtet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regulierung des Wasserhaushalts einer PEM- Brennstoffzelle (PEM: proton exchange membrane), wobei die Luftströmungsrichtung phasenweise umgekehrt wird.
Ein wesentliches Problem bei der Anwendung von PEM-Brennstoffzellen ist, daß deren Membran-Elektroden-Einheit, im folgenden auch mit MEA genannt, im Betrieb leicht austrocknet. Die notwendige Befeuchtung geschieht gemäß einem Verfahren nach dem Stand der Technik (DE 198 09 575 A1) mit Befeuchtungssystemen, die Flüssigwasser bei Bedarf an einen Befeuchter zur Befeuchtung der MEA abgeben. Diese Systeme haben den Nachteil, daß sie nicht frostsicher sind, was insbesondere im mobilen Einsatz in Kraftfahrzeugen nachteilig ist.
Stand der Technik hinsichtlich einer frostsicheren Luftbefeuchtung ist das soge­ nannte AAD-Verfahren (AAD: Alternating Air) gemäß der WO 99/28985. Die Aus­ trocknung der MEA ist vor allem am Frischlufteinlauf der Brennstoffzelle problema­ tisch. Zwar entsteht an der Kathode der Luftseite infolge der Zellreaktion Wasser, daß von der MEA aufgenommen wird. Die Menge des produzierten Wassers ist am Frischlufteinlauf der Brennstoffzelle jedoch relativ gering. Deshalb wird beim AAD- System die Strömungsrichtung der Zuluft in bestimmten Zeitintervallen umgeschaltet, wie anhand von Fig. 1 dargestellt. Fig. 1 zeigt eine Brennstoffzelle 2 mit einem Ventil 5 zur Steuerung der Luftströmungsrichtung. Die Zuluft 3 wird über ein 4/2-Wegeventil 5 bei Ventilstellung a über die Leitung 6 zur Brennstoffzelle 2 geleitet. Bei Ventilstel­ lung b wird die Zuluft 3 über die Leitung 7 der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Die Abluft aus der Brennstoffzelle 2 wird bei Ventilstellung a über die Leitung 7 an das 4/2- Wegeventil 5 geleitet und von dort aus auf die Abluftleitung 4. Bei Ventilstellung b wird die Abluft von der Brennstoffzelle 2 über die Leitung 6 an das 4/2-Wegeventil geleitet und von dort aus auf die Abluftleitung 4. Die Schaltung läßt sich grundsätz­ lich auch mit zwei 3/2-Wegeventilen anstatt einem 4/2-Wegeventil aufbauen.
Nachteilig an dem AAD-Verfahren ist die Tatsache, daß die in die Brennstoffzelle einströmende trockene Luft sehr viel Feuchtigkeit aufnehmen kann, die der MEA entzogen wird. Dieser Zusammenhang ist anhand von Fig. 2 für ein AAD-System gemäß Fig. 1 dargestellt. Sie zeigt die relative Feuchte der einströmenden trockenen Luft in Abhängigkeit vom Kanalweg (in % des Gesamtwegs) innerhalb der Brenn­ stoffzelle. Wie man dem Diagramm entnehmen kann, steigt die relative Feuchtigkeit im wesentlichen linear über dem Kanalweg an und erreicht erst am Ende des Wegs den Sättigungszustand. Bis zu diesem Punkt nimmt der Luftstrom Wasser auf. Somit wird der MEA annähernd über den gesamten Kanalweg Feuchtigkeit entzogen, wobei der Feuchtigkeitsverlust der MEA wiederum am Einlauf am stärksten ist. Aufgrund dessen ist beim AAD-Verfahren ein häufiges Umschalten der Luftströ­ mungsrichtung notwendig. Häufiges Umschalten führt jedoch zu einer Verminderung der Standzeiten der betreffenden Schaltventile.
Ein häufiges Umschalten ist darüberhinaus auch aus dem Grund unerwünscht, weil im Moment der Umschaltung die mit Sauerstoff abgereicherte Luft in entgegenge­ setzter Richtung aus der Brennstoffzelle geführt wird. Die Sauerstoffkonzentration reicht dann nicht mehr aus, um die Zellspannung stabil zu halten. Es entsteht ein kurzzeitiger Leistungseinbruch. Fig. 3 zeigt hierzu den entsprechenden Spannungs­ verlauf der Brennstoffzelle beim AAD-Verfahren. Deutlich zu erkennen sind die Spannungseinbrüche beim Umschalten der Strömungsrichtung.
Aufgabe der Erfindung ist es, das AAD-System insoweit zu verbessern, daß mög­ lichst lange Perioden zwischen den Umschaltvorgängen erreicht werden können, um die Standzeit der Ventile zu erhöhen und um die Verluste durch Leistungseinbrüche zu minimieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruch 1 gelöst. Die weiteren Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zusätzlich zur phasenweisen Umkeh­ rung der Luftströmungsrichtung die Luft vorbefeuchtet. Diese Kombination hat den Vorteil, daß die Umschaltzeiten wesentlich verlängert werden können. Dadurch wird eine wirtschaftlicher Betrieb der Brennstoffzelle ermöglicht. Insbesondere wird die Standzeit der Ventile erhöht und die Verluste durch Leistungseinbrüche minimiert.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird die Luft vor der Befeuchtung komprimiert (insbesondere auf das Druckniveau in der Brennstoffzelle). Dies hat den Vorteil, daß für die beim Befeuchten stattfindende Wasserverdampfung keine zusätzliche Energie bereitgestellt werden muß. Vielmehr kann die benötigte Ver­ dampfungsenergie der komprimierten Luft entzogen werden. Diese muß ohnehin vor Eintritt in die Brennstoffzelle gekühlt werden, um eine Schädigung der Brennstoffzelle zu vermieden. Durch diese Verdampfungskühlung ist kein zusätzliches Aggregat für die Luftkühlung notwendig.
Die Befeuchtung der Luft kann zum Beispiel durch Eindüsen mittels einer Düse erfolgen.
In einer weiteren Ausführung erfolgt die Befeuchtung mittels eines Membranmoduls. Dabei wird das vorzubefeuchtende Gas über eine Membranfläche geführt, und nimmt über die Membran Wasser auf.
Besonders geeignet als Membranmaterial ist das in den Patentansprüchen der EP 0 111 360 B1 beschriebene Material.
Um den Leistungseinbruch bei der Umkehrung der Luftströmungsrichtung zu mini­ mieren, kann in einer weiteren Ausführung der Erfindung zusätzlich die Luftzufuhr, d. h. der entsprechende Volumendurchsatz der Brennstoffzelle gezielt geregelt werden. Dabei kann besonders vorteilhaft unmittelbar vor oder unmittelbar nach den Zeitpunkten, zu denen die Luftströmungsrichtung umgekehrt wird, eine Erhöhung der Luftzufuhr vorgenommen werden.
Desweiteren kann zur Glättung der Leistungskennlinie der Brennstoffzelle ein elektrischer Speicher, z. B. eine Batterie, ein Kondensator oder ein Superkondensator eingesetzt werden, der parallel zur Brennstoffzelle geschaltet wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung zur Minimierung des kurzzeitigen Leis­ tungseinbruchs bei der Richtungsumkehr kann die Brennstoffzelle in mehrere Bereiche unterteilt werden, die separat mit Luft versorgt werden. Dies kann insbe­ sondere dadurch geschehen, daß ein Brennstoffzellenstack in mehrere derartiger Bereiche unterteilt wird. Alternativ können auch einzelne Brennstoffzellenstacks innerhalb einer Brennstoffzellenanlage aus mehreren Stacks als derartige Bereiche definiert werden. In jedem Fall werden die Umkehrtakte der Luftströmung innerhalb dieser Bereiche so aufeinander abgestimmt, daß die Umkehrung der Luftströmungs­ richtungen immer zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgt.
Auch bei dieser Unterteilung in einzelne Bereiche kann zusätzlich eine Regelung der Luftzufuhr vorgenommen werden, um den Leistungsbeinbruch der Brennstoffzelle zu minimieren. So kann zum Beispiel zu dem Zeitpunkt, zu dem in einem Bereich der Brennstoffzelle die Luftströmungsrichtung umgekehrt wird, in einem anderen Bereich eine Erhöhung der Luftzufuhr vorgenommen werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung erfolgt in zwei Bereichen der Brennstoff­ zelle die Umkehrung der Luftströmungsrichtung zu unmittelbar aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, wobei jeweils zu dem Zeitpunkt, zu dem in dem einen Bereich die Luftströmungrichtung umgekehrt wird, in dem anderen Bereich eine Erhöhung der Luftzufuhr vorgenommen wird, um den Leistungseinbruch der Brennstoffzelle zu minimieren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen und Diagrammen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein prinzipielles Schaltbild des zum Stand der Technik gehörenden AAD- Luftbefeuchtungssystems, wie in der Beschreibungseinleitung erläutert;
Fig. 2 der Verlauf der relativen Feuchte des Luftstroms in Abhängigkeit vom Weg innerhalb der Brennstoffzelle bei Speisung mit trockener Luft (gemäß dem zum Stand der Technik gehörenden AAD-Luftbefeuchtungssystem);
Fig. 3 den Spannungsverlauf der Brennstoffzelle beim AAD-Luftbefeuchtungs­ system (Stand der Technik),
Fig. 4 ein prinzipielles Schaltbild zum Ablauf einer Ausführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens, wobei die Vorbefeuchtung durch Wassereindüsen erfolgt;
Fig. 5 ein prinzipielles Schaltbild zum Ablauf einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Vorbefeuchtung durch Gas/Gas- Befeuchtung erfolgt;
Fig. 6 den Verlauf der relativen Feuchte des Luftstroms in Abhängigkeit vom Weg innerhalb der Brennstoffzelle gemäß einer Ausführung der Erfindung;
Fig. 7 Spannungsverlauf über der Zeit für zwei verschiedene Brennstoffzellenberei­ che der Brennstoffzelle, bei zusätzlicher, abgestimmter Sauerstoffzufuhr ge­ mäß einer Ausführung der Erfindung;
Fig. 8 Spannungsverlauf über der Zeit für zwei verschiedene Brennstoffzellenberei­ che bei zusätzlicher, abgestimmter Sauerstoffzufuhr gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung.
Fig. 4 zeigt ein prinzipielles Schaltbild zum Ablauf einer Ausführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens. Dargestellt ist eine Brennstoffzelle 2 mit einem Ventil 5 zur Steuerung der Luftströmungsrichtung und einem Bauteil 8 zur Vorbefeuchtung der Zuluft. Der Vorbefeuchter 8 umfaßt in dieser Ausführung eine Düse, mit der das Wasser in den Luftstrom eingedüst wird. Die Zuluft wird über die Leitung 3 zuerst zu dem Vorbefeuchter 8 und dann über ein 4/2-Wegeventil 5 bei Ventilstellung a über die Leitung 6 zur Brennstoffzelle 2 geleitet. Bei Ventilstellung b wird die Zuluft 3 über die Leitung 7 der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Die Abluft aus der Brennstoffzelle 2 wird bei Ventilstellung a über die Leitung 7 an das 4/2-Wegeventil 5 geleitet und von dort aus zu einem Wasserabscheider 9 auf die Abluftleitung 4. Bei Ventilstellung b wird die Abluft von der Brennstoffzelle 2 über die Leitung 6 an das 4/2-Wegeventil geleitet und von dort aus auf die Abluftleitung 4. In Leitung 10 wird das Wasser aus dem Wasserabscheider 9 zu dem Vorbefeuchter 8 transportiert. Optional ist es möglich, in der Leitung 10 ein Teil der feuchten Abluft der Zuluft zuzuführen und damit den Luftstrom vorzubefeuchten. Der Wasserabscheider 9 würde dann entfal­ len. Dafür müßte evtl. eine zusätzliche Pumpe und eine Regelung eingebaut werden. Wie der Fachmann erkennt, läßt sich die gezeigte Schaltung auch mit zwei 3/2- Wegeventilen anstatt einem 4/2-Wegeventil aufbauen.
Fig. 5 zeigt ein prinzipielles Schaltbild zum Ablauf einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Vorbefeuchtung durch Gas/Gas- Befeuchtung erfolgt. Dargestellt ist ein Brennstoffzelle 2 mit einem Ventil 5 zur Steuerung der Luftströmungsrichtung und einem Gas/Gas-Befeuchter 11 zur Vorbe­ feuchtung der Zuluft. Der Gas/Gas-Befeuchter 11 umfaßt als wesentliches Element eine oder mehrere Membranschichten 14, über die das vorzubefeuchtende Gas Wasser aufnimmt. Die Verdampfung findet auf der Membranoberfläche statt.
Die Zuluft wird nach der Kompression am Kompressor 15 über die Leitung 3 über ein 4/2-Wegeventil 5 bei Ventilstellung a über die Leitung 6 zum Gas/Gas-Befeuchter und dann über Leitung 13 zur Brennstoffzelle 2 geleitet. Bei Ventilstellung b wird die Zuluft 3 über die Leitung 7 zu dem Gas/Gas-Befeuchter und dann über Leitung 12 der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Die Abluft aus der Brennstoffzelle 2 wird bei Ventil­ stellung a über die Leitung 12 an den Gas/Gas-Befeuchter dann über Leitung 7 an das 4/2-Wegeventil 5 geleitet und von dort aus auf die Abluftleitung 4. Bei Ventilstel­ lung b wird die Abluft von der Brennstoffzelle 2 über die Leitung 13 an den Gas/Gas- Befeuchter 11 geleitet dann an das 4/2-Wegeventil 5 und von dort aus auf die Abluftleitung 4. Die dargestellte Schaltung ist also so ausgelegt, daß die Vorbe­ feuchtung der Zuluft im Gas/Gas-Befeuchter 11 mittels der feuchten Abluft der Brennstoffzelle erfolgen kann.
Wie der Fachmann erkennt, läßt sich die Schaltung grundsätzlich auch mit zwei 3/2- Wegeventilen anstatt einem 4/2-Wegeventil aufbauen.
Fig. 6 zeigt den Verlauf der relativen Feuchte des Luftstroms in Abhängigkeit vom Weg innerhalb der Brennstoffzelle bei der erfindungsgemäßen Speisung mit vorbe­ feuchteter Luft. Der in Fig. 6 benannte Kanalweg stellt den Weg dar, den die Luft durch die Brennstoffzelle durchläuft. Auch wenn die Vorbefeuchtung nur sehr gering gewählt wird, erreicht die Luft schon bei ca. der Hälfte ihres Weges den Sättigungs­ zustand d. h. die Wasseraufnahme aus der Membran ist erheblich reduziert. Die treibende Kraft für die Wasseraufnahme ist von Einlauf an deutlich geringer und die Zeitdauer der Wasseraufnahme ist deutlich kürzer. Hinzu kommt, daß der Sätti­ gungszustand der Luft über einen größeren räumlichen Bereich vorhanden ist. In diesem Bereich kann das durch die Zellreaktion entstehende Wasser in der MEA gespeichert werden, und wird nicht an den Luftstrom abgegeben. Durch diesen Effekt kann die Zeitdauer bis zum nächsten Umschalten erheblich verlängert werden. Dies hat den Vorteil, daß weniger Leistungseinbrüche beim Umschalten in Kauf genom­ men werden müssen. Außerdem wird durch die geringere Anzahl der Umschaltungen die Lebensdauer der Schaltventile erheblich verlängert.
Je größer der Grad der Befeuchtung, desto größer der Aufwand, diese zu bewerk­ stelligen. Dies bezieht sich zum einen auf den technischen Aufwand und zum zweiten auf den energetischen Aufwand. Für eine Vorbefeuchtung in dem Maße, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist, reicht meist schon die Energie aus der Temperaturerhöhung, die durch der Verdichtung der Zuluft auf Brennstoffzellenniveau erzeugt wird (die BZ arbeitet meist auf einem höheren Druckniveau als Umgebungsdruck).
Fig. 7 zeigt den Spannungsverlauf über der Zeit für zwei verschiedene Bereiche des Brennstoffzellensystems bei zusätzlicher abgestimmter Sauerstoffzufuhr gemäß der Erfindung. Die Teilung in einzelne Bereiche bezieht sich auf die Luftzufuhr, d. h. die Luftzufuhr innerhalb eines Bereichs ist unabhängig von der Luftzufuhr des anderen Bereichs. Die Umkehrung der Luftströmungsrichtung für die beiden Bereiche wird so eingestellt, daß die Umkehrzeitpunkte in den einzelnen Bereichen zeitlich nicht aufeinander fallen. Darüber hinaus kann die Luftzufuhr (Volumendurchsatz) für die einzelnen Bereiche derart aufeinander abgestimmt werden, daß die Leistungs­ einbrüche bei der Richtungsumkehr für die gesamte Brennstoffzelle minimiert werden. Bei der Erhöhung der Luftzufuhr steigt die Zellspannung durch den größeren Sauerstoffpartialdruck an. Allerdings ist für den erhöhten Volumendurchsatz eine größere Kompressorleistung erforderlich, so das nicht ständig mit höherem Volu­ menstrom gearbeitet wird. Wie in der Fig. 7 dargestellt, wird eine Erhöhung der Luftzufuhr in einem Brennstoffzellenbereich gerade dann durchgeführt, wenn in dem anderen Bereich ein Leistungsabfall aufgrund Richtungsumkehr auftritt.
Fig. 8 zeigt den Spannungsverlauf über der Zeit für zwei verschiedene Brennstoff­ zellenbereiche bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung. Die Luftzufuhr in den einzelnen Brennstoffzellenbereichen wird so geregelt, daß unmittelbar vor (Bereich 1) oder unmittelbar nach (Bereich 2) Umschalten der Strömungsrichtung kurzzeitig mehr Luft zugeführt wird. Dadurch wird in jedem Bereich der Leistungsab­ fall wesentlich verringert, weil sich in dem Moment der Richtungsumkehr mehr Sauerstoff in der Brennstoffzelle befindet bzw. weil die abgereicherte Luft durch den größeren Volumendurchsatz schneller aus der Brennstoffzelle verdrängt wird.
Erfolgt außerdem - wie in Fig. 8 gezeichnet - die Umkehrung der Luftströmungsrich­ tung in den beiden Brennstoffzellenbereichen zu unmittelbar aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, so daß jeweils zu dem Zeitpunkt, zu dem in dem einen Bereich die Luftströmungsrichtung umgekehrt wird, in dem anderen Bereich eine Erhöhung der Luftzufuhr vorgenommen wird, und vice versa, so erreicht man eine weitere Absen­ kung der Leistungsschwankung des Gesamtsystems.

Claims (12)

1. Verfahren zur Regulierung des Wasserhaushalts einer PEM-Brennstoffzelle, wobei die Luftströmungsrichtung phasenweise umgekehrt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die in die Brennstoffzelle einströmende Luft vor Eintritt in die Brennstoffzelle befeuchtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befeuchtung der in die Brennstoffzelle einströmenden Luft dadurch erfolgt, daß ihr ein Teil der feuchten Brennstoffzellenabluft zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft vor Eintritt in die Brennstoffzelle komprimiert und anschließend befeuchtet wird, wobei das zur Befeuchtung eingebrachte Wasser verdampft wird, und die für die Verdampfung notwendige Verdampfungsenergie der komprimierten Luft entzogen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Befeuchtung der in die Brennstoffzelle einströmenden Luft durch Eindüsen erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Befeuchtung der in die Brennstoffzelle einströmenden Luft mittels eines Membranmoduls erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Membran ein Material gemäß einem der Patentansprüche der EP 0 111 360 B1 eingesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Membran­ modul ein Gas/Gas-Befeuchter eingesetzt wird, der mit der feuchten Brennstoff­ zellenabluft als feuchtigkeitsabgebendem Gas betrieben wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor oder unmittelbar nach den Zeitpunkten, zu denen die Luft­ strömungsrichtung umgekehrt wird, eine Erhöhung der Luftzufuhr vorgenommen wird, um den Leistungseinbruch der Brennstoffzelle zu minimieren.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffzelle zur Glättung der Leistungskennlinie ein elektrischer Spei­ cher, z. B. Batterie, Kondensator, Superkondensator, parallel geschaltet wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle in mehrere Bereiche mit separatem Luftkreislauf unterteilt ist, in denen die Umkehrung der Luftströmungsrichtung zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgt, um den Leistungseinbruch der Brennstoffzelle zu minimieren.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Zeitpunkt, zu dem in einem Bereich der Brennstoffzelle die Luftströmungsrichtung umgekehrt wird, in einem anderen Bereich eine Erhöhung der Luftzufuhr vorgenommen wird, um den Leistungsbeinbruch der Brennstoffzelle zu minimieren.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in zwei Bereichen der Brennstoffzelle die Umkehrung der Luftströmungsrichtung zu unmittelbar aufein­ anderfolgenden Zeitpunkten erfolgt, wobei jeweils zu dem Zeitpunkt, zu dem in dem einen Bereich die Luftströmungsrichtung umgekehrt wird, in dem jeweils anderen Bereich eine Erhöhung der Luftzufuhr vorgenommen wird, um den Leis­ tungseinbruch der Brennstoffzelle zu minimieren.
DE19929472A 1999-06-26 1999-06-26 Verfahren zur Regulierung des Wasserhaushalts einer PEM-Brennstoffzelle Ceased DE19929472A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19929472A DE19929472A1 (de) 1999-06-26 1999-06-26 Verfahren zur Regulierung des Wasserhaushalts einer PEM-Brennstoffzelle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19929472A DE19929472A1 (de) 1999-06-26 1999-06-26 Verfahren zur Regulierung des Wasserhaushalts einer PEM-Brennstoffzelle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE19929472A1 true DE19929472A1 (de) 2000-12-28

Family

ID=7912757

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19929472A Ceased DE19929472A1 (de) 1999-06-26 1999-06-26 Verfahren zur Regulierung des Wasserhaushalts einer PEM-Brennstoffzelle

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE19929472A1 (de)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002061867A2 (de) * 2001-01-31 2002-08-08 Viessmann Werke Gmbh & Co. Brennstoffzellen mit integrierter befeuchtung sowie verfahren zum befeuchten von brennstoffzellen-prozessgas
EP1349225A1 (de) * 2002-02-15 2003-10-01 Nissan Motor Co., Ltd. Brennstoffzelle mit Befeuchtung der Reaktanden in den Fluidsammlern
WO2003028137A3 (de) * 2001-09-21 2004-01-29 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren und vorrichtung zum betrieb einer brennstoffzelle
FR2853765A1 (fr) * 2003-04-08 2004-10-15 Peugeot Citroen Automobiles Sa Procede et dispositif pour humidifier le gaz oxygene d'alimentation de la cellule cathodique d'une pile a membrane echangeuse de protons
DE10334843A1 (de) * 2003-07-30 2005-02-24 P21 - Power For The 21St Century Gmbh Verfahren zum Mediummanagement innerhalb einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellensystem
DE102004039417A1 (de) * 2004-08-13 2006-02-23 Daimlerchrysler Ag Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE10225557B4 (de) * 2002-06-10 2007-03-29 Forschungszentrum Jülich GmbH Niedertemperatur-Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen
AT502353B1 (de) * 2006-06-29 2007-07-15 Avl List Gmbh Verfahren und vorrichtung zur konditionierung eines o2-hältigen gases
DE102006061225A1 (de) * 2006-12-20 2008-06-26 Forschungszentrum Jülich GmbH Verfahren zur elektrochemischen Aktivierung von Brennstoffzellen
WO2016083489A1 (fr) * 2014-11-27 2016-06-02 Compagnie Generale Des Etablissements Michelin Système à pile à combustible
WO2022084004A1 (de) * 2020-10-21 2022-04-28 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem sowie verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems

Cited By (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002061867A3 (de) * 2001-01-31 2003-06-12 Viessmann Werke Kg Brennstoffzellen mit integrierter befeuchtung sowie verfahren zum befeuchten von brennstoffzellen-prozessgas
WO2002061867A2 (de) * 2001-01-31 2002-08-08 Viessmann Werke Gmbh & Co. Brennstoffzellen mit integrierter befeuchtung sowie verfahren zum befeuchten von brennstoffzellen-prozessgas
WO2003028137A3 (de) * 2001-09-21 2004-01-29 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren und vorrichtung zum betrieb einer brennstoffzelle
EP1349225A1 (de) * 2002-02-15 2003-10-01 Nissan Motor Co., Ltd. Brennstoffzelle mit Befeuchtung der Reaktanden in den Fluidsammlern
US7553575B2 (en) 2002-02-15 2009-06-30 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell humidification system and method
DE10225557B4 (de) * 2002-06-10 2007-03-29 Forschungszentrum Jülich GmbH Niedertemperatur-Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen
FR2853765A1 (fr) * 2003-04-08 2004-10-15 Peugeot Citroen Automobiles Sa Procede et dispositif pour humidifier le gaz oxygene d'alimentation de la cellule cathodique d'une pile a membrane echangeuse de protons
EP1469543A3 (de) * 2003-04-08 2005-03-02 Peugeot Citroen Automobiles S.A. Verfahren und Anordnung zum Befeuchten des sauerstoffhaltigen Gases einer Brennstoffzelle mit protonenleitender Membran
EP1469543A2 (de) * 2003-04-08 2004-10-20 Peugeot Citroen Automobiles S.A. Verfahren und Anordnung zum Befeuchten des sauerstoffhaltigen Gases einer Brennstoffzelle mit protonenleitender Membran
DE10334843A1 (de) * 2003-07-30 2005-02-24 P21 - Power For The 21St Century Gmbh Verfahren zum Mediummanagement innerhalb einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellensystem
DE102004039417A1 (de) * 2004-08-13 2006-02-23 Daimlerchrysler Ag Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
AT502353B1 (de) * 2006-06-29 2007-07-15 Avl List Gmbh Verfahren und vorrichtung zur konditionierung eines o2-hältigen gases
DE102006061225A1 (de) * 2006-12-20 2008-06-26 Forschungszentrum Jülich GmbH Verfahren zur elektrochemischen Aktivierung von Brennstoffzellen
US8603685B2 (en) 2006-12-20 2013-12-10 Forschungszentrum Jülich GmbH Method for electrochemical activation of fuel cells
WO2016083489A1 (fr) * 2014-11-27 2016-06-02 Compagnie Generale Des Etablissements Michelin Système à pile à combustible
FR3029359A1 (fr) * 2014-11-27 2016-06-03 Michelin & Cie Systeme a pile a combustible
CN107004874A (zh) * 2014-11-27 2017-08-01 米其林集团总公司 燃料电池***
WO2022084004A1 (de) * 2020-10-21 2022-04-28 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem sowie verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69817396T2 (de) Verfahren und apparat zur wasserhandhabung einer ionenaustauschermembran in einer brennstoffzelle
DE102015203077B4 (de) Brennstoffzellenfahrzeug
DE102007026332B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Kathodenübergangsfeuchtesteuerung in einem Brennstoffzellensystem
DE112004000822B4 (de) Brennstoffzellensystem zur Befeuchtung eines Brennstoffzellenstapels
DE102015122144A1 (de) Befeuchter mit integriertem Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellensystem sowie Fahrzeug mit einem solchen
DE19929472A1 (de) Verfahren zur Regulierung des Wasserhaushalts einer PEM-Brennstoffzelle
DE102006019114A1 (de) Brennstoffzellenbetriebsverfahren zur verbesserten Wasserstoff- und Sauerstoffverwendung
DE102008006736A1 (de) Verfahren zum Befeuchten von Brennstoffzelleneinlässen unter Verwendung von dochtbasierten Wasserabscheider-Befeuchtern
DE102012205643B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Stoppen der Stromerzeugung in einem Brennstoffzellensystem
WO2020224860A1 (de) Flussfeldplatte
EP1022796B1 (de) Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem
DE102014018141A1 (de) Brennstoffzellenstapel
DE102004017281B4 (de) Brennstoffzellen-System und Verwendung eines Brennstoffzellen-Systems in einem Fahrzeug
EP4150688A1 (de) Luftversorgungsvorrichtung für brennstoffzellensysteme und brennstoffzellensystem
DE10209808A1 (de) Wasservernebelungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zur Befeuchtung eines einem Brennstoffzellensystem zugeführten Gasstromes
WO1997033331A1 (de) Brennstoffzelle mit interner befeuchtung
DE102007058868A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle sowie ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle
DE102019126306A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102020128127A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem
DE102019205809A1 (de) Flussfeldplatte, Brennstoffzellenstapel mit einer Flussfeldplatte und Brennstoffzellensystem
WO2010094391A1 (de) Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer brennstoffzelle
DE102019211583A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Befeuchters sowie Befeuchter
DE10324386B4 (de) Brennstoffzellensystem
DE102019211589A1 (de) Befeuchter, Brennstoffzellenvorrichtung mit Befeuchter sowie Kraftfahrzeug
WO2017072000A1 (de) Kathodenversorgung für eine mehrfach-brennstoffzelle sowie verfahren zum versorgen von teilbrennstoffzellen mit einem kathoden-betriebsmedium

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8127 New person/name/address of the applicant

Owner name: DAIMLERCHRYSLER AG, 70567 STUTTGART, DE

8131 Rejection