Browse Prior Art Database

Betriebskonzept fuer die Befeuchtung der Luft einer PEM-Brennstoffzelle

IP.com Disclosure Number: IPCOM000020046D
Original Publication Date: 2003-Nov-25
Included in the Prior Art Database: 2003-Nov-25
Document File: 3 page(s) / 427K

Publishing Venue

Siemens

Related People

Juergen Carstens: CONTACT

Abstract

Fuer einen stabilen und gegen schnelle Lastwechsel unempfindlichen Luftbetrieb einer PEM- (Polymer-Elektrolyt-Membran) Brennstoffzelle (siehe Abb. 1) ist die ausreichende Luftversorgung sehr wichtig, die auch eine ausreichende Befeuchtung der Luft (Taupunkt ist ungefaehr gleich der Kuehlwasseraustrittstemperatur) bei den jeweiligen Druecken und Temperaturen des Stacks sicherstellt. Die nachfolgende Abhandlung bezieht sich auf den Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle mit lufteingangsseitigem Verdichter mit einem beliebigen Befeuchtungskonzept und einem luftausgangsseitigen, ueber den Druck regelbaren Ventil oder Expander (siehe Abb. 1). Je nach Wirkungsgrad des Verdichters wird die mechanische Energie, die durch den Elektromotor auf den Verdichter uebertragen wird, zur Verdichtung der Luft verwendet. Ein anderer Teil der mechanischen Energie dient zur Verdampfung des Wassers. Ein weiterer Teil wird als Abwaerme ueber den Luftstrom bzw. das Gehaeuse abgegeben. Bei einem realen Brennstoffzellensystem ergibt sich damit ein voellig unuebersichtliches Kennfeld von Druck, Temperatur und Feuchte der Luft am Eingang der Brennstoffzelle. Fuer den langfristig sicheren Betrieb der Brennstoffzelle ist ein Betrieb mit ausreichender Befeuchtung zwingend. Eine kontinuierliche Messung der Feuchte nahe von 100% ist jedoch mit den derzeit kommerziell erhaeltlichen Sensoren nicht schnell genug fuer die Dynamik der Brennstoffzellenanlage und auch nicht betriebssicher genug, da die Messung durch Tropfen unkontrollierbar verfaelscht wird.

This text was extracted from a PDF file.
At least one non-text object (such as an image or picture) has been suppressed.
This is the abbreviated version, containing approximately 38% of the total text.

Page 1 of 3

S

© SIEMENS AG 2003 file: 2003J14061.doc page: 1

Betriebskonzept fuer die Befeuchtung der Luft einer PEM-Brennstoffzelle

Idea: Dr. Walter Preidel, DE-Erlangen

Fuer einen stabilen und gegen schnelle Lastwechsel unempfindlichen Luftbetrieb einer PEM- (Polymer-Elektrolyt-Membran) Brennstoffzelle (siehe Abb. 1) ist die ausreichende Luftversorgung sehr wichtig, die auch eine ausreichende Befeuchtung der Luft (Taupunkt ist ungefaehr gleich der Kuehlwasseraustrittstemperatur) bei den jeweiligen Druecken und Temperaturen des Stacks sicherstellt. Die nachfolgende Abhandlung bezieht sich auf den Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle mit lufteingangsseitigem Verdichter mit einem beliebigen Befeuchtungskonzept und einem luftausgangsseitigen, ueber den Druck regelbaren Ventil oder Expander (siehe Abb. 1). Je nach Wirkungsgrad des Verdichters wird die mechanische Energie, die durch den Elektromotor auf den Verdichter uebertragen wird, zur Verdichtung der Luft verwendet. Ein anderer Teil der mechanischen Energie dient zur Verdampfung des Wassers.

Ein weiterer Teil wird als Abwaerme ueber den Luftstrom bzw. das Gehaeuse abgegeben. Bei einem realen Brennstoffzellensystem ergibt sich damit ein voellig unuebersichtliches Kennfeld von Druck, Temperatur und Feuchte der Luft am Eingang der Brennstoffzelle. Fuer den langfristig sicheren Betrieb der Brennstoffzelle ist ein Betrieb mit ausreichender Befeuchtung zwingend. Eine kontinuierliche Messung der Feuchte nahe von 100% ist jedoch mit den derzeit kommerziell erhaeltlichen Sensoren nicht schnell genug fuer die Dynamik der Brennstoffzellenanlage und auch nicht betriebssicher genug, da die Messung durch Tropfen unkontrollierbar verfaelscht wird.

Ein neues Kuehlkonzept verhindert das Auskondensieren von Wasser im Stack. Das Betriebskonzept gibt entsprechend dem jeweiligen Zustand der Brennstoffzellenanlage einen Betriebsdruck bzw. eine Betriebstemperatur vor, so dass die geforderte elektrische Leistung abgegeben werden kann. Da die geforderte elektrische Leistung ueber die Kennlinie des Stacks eine Luftmenge definiert, wird zuerst der Verdichter derart gesteuert, dass bei einem vom Verbraucher geforderten Strom je nach Luftzahl λ eine feste Drehzahl des Motors durch einen Sollwert eingestellt wird. Bei Leistungen unterhalb eines Grenzwertes wird eine Mindestdrehzahl vorgegeben. Damit stellt sich ueber die in der Brennstoffzellenanlage erzeugte Waerme und den jeweiligen Kuehlwasserdurchfluss und die Waermeabfuhr ueber das Kuehlwasser eine Betriebstemperatur im Stack ein. Diese formale Betriebstemperatur zeigt im Stack einen Gradienten je nach Vorgeschichte und nach mechanischem Aufbau der Kuehlwasserkanaele und der Luftzufuhr. Dieser Temperaturgradient ist um so groesser, je staerker die Leistungsabgabe der Brennstoffzellenanlage mit der Zeit geaendert wird. Auch bei konstanter Last stellt sich je nach Differenztemperatur des Kuehlwassers und der Last ein quasi- stabiler Temperaturgradient im Stack ein. Die L...