Es
bleibt die Herausforderung, ein System zu erzeugen, mit dem ein
Schnellstart erleichtert werden kann, während ein Brennstoffzellenbetriebsverhalten
optimiert wird, und zwar so kosteneffektiv wie möglich.
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
Bei
einem Aspekt sieht die Erfindung ein Brennstoffzellensystem vor,
das ein Heizelement umfasst, das einen Körper aus thermisch leitendem
Material umfasst, das zumindest einen Hohlraum oder Kanal aufweist.
Der Körper,
der einen oder mehrere Kanäle
aufweist, wird auch als ein Behälter
bezeichnet. In dem Kanal oder den Kanälen ist ein Wasserstoffspeichermedium
angeordnet. Das Wasserstoffspeichermedium kann Wasserstoff in einer
reversiblen Reaktion absorbieren und freigeben. Eine Komponente
des Brennstoffzellensystems steht in Wärmeübertragungsbeziehung mit dem
Körper,
und diese Komponente und der Körper
sind so angeordnet, dass Wasserstoff, der an den Kanal oder die
Kanäle
geliefert wird, von dem Wasserstoffspeichermedium in einer exothermen
Reaktion absorbiert wird, die Wärme
erzeugt, die durch den Körper
und an die andere Brennstoffzellenkomponente übertragen wird. Bei einem Aspekt
sieht der Körper
aus thermisch leitendem Material einen Speicherbehälter vor,
der einen oder mehrere Kanäle
umfasst. Bei einem anderen Aspekt wird Wärme an mehr als eine Komponente
in einem Brennstoffzellensystem übertragen.
Bei
einem bevorzugten Aspekt ist eine Vielzahl von Kanälen in dem
Körper
vorgesehen, und der Körper
besitzt einen Öffnung,
die einen Zugang zu den Kanälen
vorsieht, und es befindet sich ein Filter in der Öffnung,
um das Wasserstoffspeichermedium zu halten, das in einer bevorzugten
Partikelform vorliegt. Die Komponente oder die Komponenten, an die
in dem Behälter
erzeugte Wärme übertragen
wird, können
eine oder mehrere der folgenden sein: ein Anschlusskollektor; ein
Fluidverteilungselement, das manchmal auch als bipolare Platte bezeichnet
wird; ein Behälter,
der zwischen Fluidverteilungselementen positioniert ist; ein Behälter, der
zwischen einer Anschlussbrennstoffzelle und einer Anschlusskollektorplatte
positioniert ist; der Behälter
kann zwischen der Anschlusskollektorplatte und der Endbasisplatte
des Stapels angeordnet sein. Alternativ dazu kann der Heizelementbehälter zumindest
einen Anteil des Stapels umgeben.
Bevorzugt
ist der Körper
des Speicherbehälters
aus einem Material aufgebaut, das elektrisch und thermisch leitend
ist. Er kann aus einer Anzahl von Materialien hergestellt sein,
die Polymerverbundstoffe, Metall und Metalllegierungen umfassen.
Das Wasserstoffspeichermedium ist bevorzugt so gewählt, dass
es einen Gleichgewichtsdruck zur Absorption von Wasserstoff aufweist,
wodurch bei bevorzugt weniger als etwa 506,6 kPa (fünf Atmosphären) bei
etwa 25°C
Celsius das Wasserstoffspeichermedium Wasserstoff absorbiert. Das Material
gibt dann Wasserstoff in einem Bereich von Betriebsbedingungen ab,
die den Bedingungen des Brennstoffzellenbetriebs entsprechen. Somit
wird bei Temperaturen unter etwa 60°C und einem Druck unterhalb
etwa 3040 kPa absolut (30 Atmosphären absolut) das Medium reversibel
ein Metallhydrid bilden und Wärme
abgeben.
Bei
einem bevorzugten Aspekt besitzt das Wasserstoffspeichermedium einen
hydrierten Zustand, der Metallhydrid umfasst, und einen dehydrierten
Zustand, der ein Metall oder eine Metalllegierung umfasst. Ein Metall
oder eine Metalllegierung absorbiert Wasserstoff in einer exothermen
Reaktion, die Wärme
erzeugt. Das Metallhydrid gibt Wasserstoff in einer endothermen
Reaktion ab und erfordert, dass Wärme von einer benachbarten
Umgebung geliefert wird.
Ein
bevorzugtes Wasserstoffspeichermedium umfasst: LaNi5,
LaNi4,7Al0,39, TiF0,9Mn0,1, MmNi4,5Al0,5, MmNi4,5Mn0,5, Ca0,7Mm0,3Ni5, TiMn1,5, ZrFe1,5Cr0,5, Ti0,98Zr.2 Vo.43Fe0,09Cr0,05Mn1,5, TiV0,62Mn1,5 und LaMm(NiSn)5 und
TiFe.
Weitere
Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen,
dass die detaillierte Beschreibung wie auch die spezifischen Beispiele,
während
sie die bevorzugte Ausführungsform
der Erfndung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht
dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
Die
vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und
den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, wobei:
1 eine
schematische Darstellung von zwei Zellen in einem flüssigkeitsgekühlten PEM-Brennstoffzellenstapel
ist;
2 ein
Druck-Konzentrations-Temperatur- (PCT)- Diagramm für ein Wasserstoffabsorptionsmaterial
gemäß der vorliegenden
Erfindung (LaNi5) ist;
3 eine
schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung
ist, die eine Ausgestaltung eines einzelnen Heizerplattenelements
zeigt;
4 eine
schematische Darstellung einer alternativen bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, die mehrere Heizerplattenelemente in einer einzelnen
Brennstoffzellenstapelausgestaltung zeigt;
5 eine
schematische Darstellung einer alternativen bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, die eine Ausgestaltung mehrerer Stapel zeigt, von
denen jeder zumindest ein Heizerelement aufweist;
6 eine
teilweise ausgeschnittene Ansicht einer Anschlusskollektorendplatte
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, in der ein Heizerelement enthalten
ist und eine Seitenabdeckung in einer demontierten Position gezeigt
ist;
7 eine
Schnittansicht entlang der Linie 7-7 von 6 ist,
die ein Inneres einer Anschlusskollektorendplatte, das ein Heizerelement
umfasst, gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
8 eine
schematische Darstellung von zwei Zellen in einem flüssigkeitsgekühlten PEM-Brennstoffzellenstapel
ist, der eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält,
wobei zwei unabhängige
Heizerplatten in dem Brennstoffzellenstapel zwischen einer Endbasisplatte
und einer Anschlusskollektorplatte angeordnet sind;
9 eine
schematische Darstellung von zwei Zellen in einem flüssigkeitsgekühlten PEM-Brennstoffzellenstapel
ist, der eine andere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung enthält,
wobei zwei unabhängige
Heizerplatten in dem Brennstoffzellenstapel zwischen einer Anschlusskollektorplatte
und einem Anschlussfluidverteilungselement angeordnet sind;
10 eine
teilweise ausgeschnittene Ansicht eines unabhängigen Heizerplattenelements
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
11 eine
Schnittansicht entlang der Linie 11-11 von 10 ist;
12 eine
schematische Darstellung von zwei Zellen in einem flüssigkeitsgekühlten PEM-Brennstoffzellenstapel
ist, der eine alternative bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung enthält,
wobei eine Fluidverteilungsbipolplattenanordnung eine darin enthaltene
Heizerplatte umfasst; und
13 eine
teilweise Schnittansicht entlang der Linie 13-13 von 12 ist.
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die
folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen) ist lediglich
beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre
Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Heizelement in einem System mit
elektrochemischen Zellen, das bei Übergangsbetriebsbedingungen
Wärme bereitstellt,
bei denen zusätzliche
Wärme erforderlich
ist, wie beim Start. Die vorliegende Erfindung liefert diese Wärme über ein
Wasserstoffabsorptionsmaterial, das einer reversiblen chemischen
Einlagerungsreaktion unterliegt. Bei bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist das Wasserstoffabsorptionsmaterial
in dem Inneren eines Speicherbehälters
enthalten, der aus thermisch leitenden Materialien aufgebaut ist.
Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
ist der Behälter
so ausgebildet, dass er sowohl als ein Heizelement als auch als
eine Anschlusskollektorendplatte (nachfolgend "Anschlussplatte") in einem elektrochemischen Brennstoffzellenstapel
dient, wodurch er eine Funktionalität und elektrische Leitfähigkeit
in dem Brennstoffzellenstapel besitzt. Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen
ist der Behälter
in ein Fluidverteilungselement (beispielsweise eine bipolare Platte)
integriert, in dem er Wärme
wie auch elektrische Leitfähigkeit
zwischen den verschiedenen Brennstoffzellen des Stapels vorsieht. Bei
bestimmten alternativen bevorzugten Ausführungsformen sieht das Heizelement
Wärme für das Brennstoffzellensystem
durch ein unabhängiges
Heizelement entweder durch Integration des Speicherbehälters in den
Stapel selbst oder durch Anordnung des Speicherbehälters außerhalb
des Stapels in Bereichen, in denen eine schnelle Erwärmung erforderlich
ist, vor. Wenn die Anschlussplatte oder das Fluidverteilungselement
mit dem Heizelement kombiniert wird, wird der Komponentenaufbau
so abgewandelt, dass der Speicherbehälter, der das Wasserstoffabsorptionsmaterial
enthält,
integriert ist. Heizelemente sind für Brennstoffzellenbetriebsabläufe von
Nutzen, insbesondere beim Start und bei Übergangsbedingungen.
Zunächst wird
zum besseren Verständnis
von Anwendungen, bei denen die vorliegende Erfindung von Nutzen
ist, eine beispielhafte Brennstoffzelle und ein beispielhafter Stapel
hier beschrieben. Eine beispielhafte Brennstoffzelle, in der die
vorliegende Erfindung verwendet werden kann, ist in 1 gezeigt,
die zwei einzelne Protonenaustauschmembran- (PEM)-Brennstoffzellen
zeigt, die verbunden sind, um einen Stapel mit einem Paar Membranelektrodenanordnungen
(MEAs) 4, 6 zu bilden, die voneinander durch ein
elektrisch leitendes, flüssigkeitsgekühltes leitendes
Element 8 einer bipolaren Separatorplatte getrennt sind.
Eine einzelne Brennstoffzelle, die nicht in einem Stapel in Reihe
geschaltet ist, besitzt eine Separatorplatte 8 mit einer
einzelnen elektrisch aktiven Seite. In einem Stapel besitzt eine
bevorzugte bipolare Separatorplatte 8 typischerweise zwei
elektrisch aktive Seiten 20, 21 in dem Stapel,
wobei jede aktive Seite 20, 21 jeweils zu einer
separaten MEA 4, 6 mit entgegengesetzten Ladungen
weist, die getrennt sind, daher die so genannte "bipolare" Platte.
Wie
hier beschrieben ist, ist der Brennstoffzellenstapel mit leitenden
Fluidverteilungselementen dargestellt, die bipolare Platten umfassen,
wobei die vorliegende Erfindung jedoch gleichermaßen auf
Fluidverteilungselemente anwendbar ist, die sich benachbart einer
einzelnen Brennstoffzelle befinden.
Die
MEAs 4, 6 und die bipolare Platte 8 sind
zwischen aus rostfreiem Stahl bestehenden Endklemmbasisplatten 10, 11,
Schichten 12, 13 einer thermischen und elektrischen
Isolierung, Anschlusskollektorelementen 14, 15 und
Endkontaktfluidverteilungselementen 16, 17 aneinander
gestapelt. Die Endfluidverteilungselemente 16, 17 wie
auch beide Arbeitsflächen
oder -seiten 20, 21 der bipolaren Platte 8 enthalten
eine Vielzahl von Stegen benachbart zu Nuten oder Kanälen an den
aktiven Seiten 18, 19, 20, 21, 22 und 23 zur
Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen (d.h. H2 und O2) an die
MEAs 4, 6. Nichtleitende Dichtungselemente oder
Abdichtungen 26, 28, 30, 32, 33 und 35 sehen
Dichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen
Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Gasdurchlässige leitende
Diffusionsmedien 34, 36, 38 und 40 werden
an die Elektrodenseiten der MEAs 4, 6 gepresst.
Zusätzliche
Schichten aus leitenden Medien 43, 45 sind zwischen
den Endkontaktfluidverteilungselementen 16, 17 und
den Anschlusskollektorplatten 14, 15 angeordnet,
um einen leitenden Pfad dazwischen vorzusehen, wenn der Stapel unter
normalen Betriebsbedingungen komprimiert wird. Die Endkontaktfluidverteilungselemente 16, 17 werden an
die Diffusionsmedien 34, 43 bzw. 40, 45 gepresst.
Sauerstoff
wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapel von einem Speichertank 46 über eine geeignete
Versorgungsverrohrung 42 geliefert, während Wasserstoff an die Anodenseite
der Brennstoffzelle von einem Speichertank 48 über eine
geeignete Versorgungsverrohrung 44 geliefert wird. Alternativ
dazu kann Luft an die Kathodenseite von der Umgebung geliefert werden
und Wasserstoff an die Anode von einem Methanol- oder Benzinreformer
oder dergleichen geliefert werden. Es ist auch eine Austragsverrohrung 41 für sowohl
die H2 als auch O2/Luft-Seiten
der MEAs vorgesehen. Es ist eine zusätzliche Verrohrung 50 zum
Umwälzen
von Kühlmittel
von einem Speicherbereich 52 durch die bipolare Platte 8 und
die Endplatten 15,17 aus der Austrittsverrohrung 54 hinaus
vorgesehen.
Startbedingungen
in dem Brennstoffzellensystem stellen allgemein Herausforderungen
bei der Implementierung der Brennstoffzellentechnologie dar. Derartige
Herausforderungen sind oftmals auf niedrige Temperaturen wie auch
eine niedrige Stöchiometrie
von Reaktanden bei Niederlastbedingungen zurückzuführen, was in einer erheblich
geringeren Wärmefreigabe
resultiert, die den Vorgang, dass die Brennstoffzelle bei normalen
Betriebstemperaturen ins Gleichgewicht kommt, verlangsamt. Es ist
für viele
Brennstoffzellenanwendungen erwünscht,
dass die Brennstoffzelle schnell gestartet werden kann, um so unmittelbar
verfügbar
zu sein und die Energie, die erforderlich ist, um das Fahrzeug anzutreiben,
ohne größere Verzögerung zu
erzeugen. Der hier verwendete Begriff "Start-" Bedingungen betrifft allgemein Übergangsbetriebsbedingungen, wenn
die Brennstoffzelle von einem kalten Zustand auf normale oder stationäre Bereiche
für Betriebstemperatur,
Brennstofflieferung und elektrische Abgabe wechselt oder eingestellt
wird. "Normal-", "stationäre", "Nichtstart-" oder "Laufbetriebs-" Bedingungen betreffen
die Betriebsbedingungen, wenn Temperaturen in typischen Betriebsbereichen
liegen. Bei gegenwärtigen
PEM-Brennstoffzellenanwendungen
liegt eine derartige stationäre
Temperatur etwa 70°C
bis etwa 90°C
bei typischen Betriebsdrücken
zwischen 101,3 kPa bis 283,7 kPa absolut (1 bis 2,8 atm absolut).
Die Starttemperaturen liegen allgemein unter 60°C bei Drücken von allgemein kleiner
als etwa 101,3 kPa absolut (1 atm absolut). Der Begriff "Start" kann ferner Übergangsbetriebsbedingungen
umfassen, die das Ergebnis variierender Lastanforderungen auf das
System sein können,
jedoch nicht mit Kaltstartbedingungen in Verbindung stehen, bei
denen die Brennstoffzelle für
eine längere
Zeitdauer nicht in Betrieb war.
Bei
höheren
Umgebungstemperaturen (beispielsweise etwa 20°C oder größer) kann der Brennstoffzellenstapel
(d.h. die Vielzahl einzelner Brennstoffzellen, die miteinander in
einen Hochspannungspack gebündelt
sind) innerhalb einer vernünftigen
Zeitdauer gestartet werden, da elektrischer Strom schnell von dem
Stapel entnommen werden kann, der seinerseits eine elektrische IR-Heizung
des Stapels bewirkt, um den Stapel schnell auf seine bevorzugte
Betriebstemperatur mit vorhandenen Membranen (d.h. etwa 80°C für eine Nafion-Membran
in einer MEA) aufzuheizen. Die Gesamttemperatur des Stapels, der
Brennstoffzellen enthält,
ist proportional zu den Reaktionen, die in jeder Brennstoffzelle
stattfinden, wodurch die Stapeltemperatur zunimmt, wenn die Temperatur
zunimmt. Eines der Hauptprobleme bei kälteren Starttemperaturen (d.h.
kleiner als 25°C
und insbesondere unter 0°C)
ist, dass die Betriebsineffizienz aufgrund einer niedrigen Reaktionsrate niedrig
ist, und infolge dessen zu großen
Spannungsdiskrepanzen über
den Brennstoffzellenstapel neigt, was eine Betriebsinstabilität zur Folge
haben kann. Der effizienteste Betrieb des Brennstoffzellenstapels
erfolgt, wenn eine gleichmäßige Verteilung
von Strom, der in jeder einzelnen Brennstoffzelle 4, 6 erzeugt
wird, und ähnlicherweise
ein gleichmäßiger Spannungsabfall über jede
Zelle des Stapels vorhanden ist. Weiter benötigen die Anschlussenden eines
Stapels 55, 56 typischerweise mehr Zeit, um stationäre Betriebsbedingungen (beispielsweise
Temperaturen) zu erreichen, da die Anschluss-Brennstoffzellen (in 1 sind
nur zwei Brennstoffzellen mit MEAs 4, 6 gezeigt,
wobei in echten Stapeln jedoch Hunderte von Brennstoffzellen enthalten
sein kön nen)
auf einer Seite durch eine Anschlussplatte 14, 15 (anstatt
einer anderen Brennstoffzelle, die Wärme erzeugt) begrenzt sind.
Somit tragen die verzögernden
Anschlussendbrennstoffzellen zu einer Destabilisierung der Stapelbetriebsabläufe bei.
Ein
Start ist besonders schwierig, wenn Temperaturen der Brennstoffzelle
unter etwa 0°C
liegen. Bei derartigen Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes
ist ein schneller Start wesentlich schwieriger, da die Rate, mit
der die elektrochemische Gesamtreaktion, die an der Membranelektrodenanordnung
erfolgt, stattfindet, erheblich verringert ist, wodurch die Strommenge,
die von dem Stapel entnommen werden kann, und daher die IR-Erwärmung begrenzt
ist, die in den Stapel eingegeben werden kann. Der genaue Mechanismus
für die Reaktionsratenverringerung
ist nicht bekannt. Jedoch wird angenommen, dass entweder (1) die
Leitfähigkeit des
H+-Ions des Festpolymermembranelektrolyts
(PEM) bei diesen Temperaturen besonders schlecht ist, oder (2) die
Wirksamkeit der Katalysatoren zur elektrochemischen Ionisierung
des H2 und/oder O2 bei
diesen Temperaturen so schlecht ist, dass die Reaktionsrate vernachlässigbar
ist und keine signifikante Menge an elektrischem Strom von dem Stapel
entnommen werden kann und daher keine entsprechende IR-Erwärmung stattfinden
kann.
Ferner
verwenden die meisten Brennstoffzellensysteme Kühlmittel, das durch den Stapel
umgewälzt wird,
um Wärme
bei stationären
Betriebsabläufen
zu entfernen. Jedoch ist das Kühlmittelsystem
(beispielsweise 52, 50, 54 von 1)
eine erhebliche Wärmesenke,
da die meisten bevorzugten Kühlmittel
aufgrund ihrer hohen Wärmekapazitätswerte
gewählt
sind. Somit muss das Niedertemperaturkühlmittel neben einem möglichen
Auftauen aus einem gefrorenen Zustand auch auf seine stationäre Temperatur
erhitzt werden, die bevorzugt zwischen 40°C und etwa 80°C für das Kühlmittel
liegt. Daher wird Wärme,
die in der Brennstoffzelle durch elektrochemische Reaktionen erzeugt
wird, typischerweise zu einer Erwärmung des Kühlmittels oder in der Umgebung
befindliche voluminöse
Metallmaterialien umgelenkt. Typische Brennstoffzellensysteme, die
die Zelle auf die stationären
Betriebstemperaturen erwärmen,
indem man sich auf Überschusswärme verlässt, die bei
elektrochemischen Reaktionen erzeugt werden, bringen erhebliche
Zeitverzögerungen
wie auch Betriebsprobleme mit sich, wenn das Brennstoffzellensystem
Umgebungstemperaturen unter 25°C
und insbesondere unter Gefriertemperaturen von weniger als 0°C ausgesetzt
ist.
Um
diese Probleme beim Start zu überwinden,
umfassten bisherige Verfahren zum Vorheizen des Brennstoffzellensystems
beispielsweise eine unabhängige
Verbrennung oder einen elektrischen Heizer, wie für Fachleute
bekannt ist. Wärme
von einem Kohlenwasserstoffreformierungssystem kann ebenfalls verwendet
werden, um Wärme
zum Start des Systems vorzusehen. Diese Heizelemente können dazu
verwendet werden, den Stapel direkt zu heizen oder können Wärme für das Kühlmittel
in dem Kühlmittelsystem
vorsehen, das diese in die Brennstoffzelle bringt und Wärme darin über eine
Kühlmittelumwälzschleife
austauscht. Ein unabhängiges
Heizsystem erfordert separate Brennstoffliefersysteme oder elektrische
Leitungen und erhöht die
Belastungen auf das System, einschließlich eines potentiellen Leistungsverlustes,
hoher Kosten wie auch Wartungsproblemen. Die vorliegende Erfindung
sieht ein integriertes Heizsystem für ein Brennstoffzellensystem
vor, das existierende Brennstoffzellenreaktandenliefersysteme verwendet,
um eine gesteuerte Aufheizung auf eine selbstregulierende Art und
Weise zu erzeugen.
Gemäß bevorzugter
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung arbeitet das Heizersystem, indem ein
Wasserstoffabsorptionsmaterial verwen det wird, um erforderliche
Wärme zu
erzeugen. Das Wasserstoffabsorptionsmaterial umfasst bevorzugt eine
Metalllegierung, die durch Absorption von Wasserstoff ein Metallhydrid
bildet. Bei der Aufnahmereaktion mit Wasserstoff wird Wärme exotherm
freigegeben. Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung ist die Absorption oder Einlagerung von Wasserstoff in die
Metalllegierung eine im Wesentlichen reversible Reaktion. Mit "im Wesentlichen reversibel" ist gemeint, dass
bei der Desorptionsumkehrreaktion (d.h. der Freigabe von Wasserstoff)
das Material etwa 80 % oder mehr des Wasserstoffs freisetzt, der
in der Absorptionsreaktion oder Vorwärtsreaktion absorbiert wurde.
Dieser reversible Prozess ist als Hydrierung bekannt. Ein Beispiel
eines Hydrierungsprozesses ist in Gleichung (1) gezeigt: M(s) + 1/2 H2(g)↔MH(s) (1)wobei M(s)
die Wasserstoffabsorptionsmetalllegierung in der festen Phase ist,
MH(s) das Metallhydrid in der festen Phase ist und Wasserstoff (H2(g)) in gasförmiger Form vorgesehen ist.
Die Gleichung (1) ist ein Feststoff-Gas-Reaktionsprozess, bei dem Wasserstoff
bei einer exothermen Ladereaktion absorbiert wird und bei einer
endothermen Entladereaktion freigegeben wird. Die Stöchiometrie
ist abhängig
von der Zusammensetzung von M und der Gesamtladung von M, wodurch
MHy allgemeiner ist, wobei y so gewählt ist,
um einen Ladungsausgleich vorzusehen.
Viele
verschiedene Legierungen können
einen derartigen Hydrierungsprozess ausführen. Bevorzugte Aspekte der
vorliegenden Erfindung umfassen eine Wasserstoffabsorptionsverbindung,
die eine Niedertemperaturwasserstoffladung (d.h. unterhalb 60°C, bevorzugt
unterhalb 25°C
und am bevorzugtesten unterhalb 0°C) in
das Wasserstoffspeichermaterial zulässt.
Ferner
ist es bevorzugt, dass das Wasserstoffabsorptionsmaterial gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Wasserstoffabsorptionsreaktion aufweist, die ein
exothermer Prozess ist, und Wärme
an die umgebenden Komponenten bei einer Wasserstoffladung freisetzt,
die die Metalllegierung in ein Metallhydrid umwandelt. Bei einer
derartigen bevorzugten Wasserstoffabsorptionsverbindung gilt auch
das Umgekehrte, indem Wärme
absorbiert wird, wenn der Wasserstoff von dem Metallhydrid durch
eine endotherme Reaktion freigegeben (entladen) wird. Es ist auch
bevorzugt, dass die Entladung des Wasserstoffs in dem Bereich von
Betriebstemperaturen und -drücken
des Brennstoffzellensystems durchgeführt wird, so dass die umliegende
Umgebung unter den Plateaudruck bei einer gegebenen Betriebstemperatur
fällt,
wodurch eine Freigabe von Wasserstoff von dem Wasserstoffspeichermaterial
zugelassen wird. Bestimmte bevorzugte Metalllegierungen, die einer Wasserstoffabsorption
ausgesetzt sind, um Metallhydride bei bevorzugten Temperatur- und
Druckbedingungen zu bilden, sind gemäß der vorliegenden Erfindung
als "Niedertemperaturhydride" in der Technik bekannt.
2 zeigt
ein Druck-Konzentrations-Temperatur-(PCT)-Diagramm für ein bevorzugtes
Niedertemperaturmetallhydridmaterial zur Wasserstoffabsorption,
LaNi4,7Al0,3. Wie
in 2 gezeigt ist, ist ein Gleichgewichtsdruck zur
Absorption von Wasserstoff über
den Bereich von Konzentrationen von Wasserstoff in der Metalllegierung
(ausgedrückt
als das Atomverhältnis
von Wasserstoff zu Metall) bei verschiedenen konstanten Temperaturintervallen
(d.h. Isothermen) gezeigt. Bei einer gegebenen konstanten Temperatur
oder Isotherme (beispielsweise bei 25°C) steigt die Konzentration
von Wasserstoff in der Metalllegierung (Punkt A) mit zunehmenden
Wasserstoffgasdruck, bis ein Gleichgewichtsdruck mit relativ konstantem
Wert, als "Plateaudruck" bezeichnet, erreicht
ist. Über
diesen Bereich, der mit B bezeichnet ist, kondensiert der Wasserstoff
in dem Material in eine stark konzentrierte feste Phase durch Reaktion
mit der Metalllegierung und Bildung des Hydrids. Der Druck von Wasserstoff
in der Gasphase bleibt konstant, bis die Hydridphase das gesamte
Volumen des Wasserstoffabsorptionsmaterials besetzt. Sobald die
vollständige
Kapazität
der entsprechenden Metalllegierung erreicht ist, steigt der Wasserstoffdruck
in dem Gas wiederum (Punkt C). Nach einem Auffüllen der Kapazität enthält das LaNi4,7Al0,3 ein Wasserstoffatom
für jedes
Metallatom und wird La-Ni4,7Al0,3H6, wenn es vollständig hydriert ist. Um den Prozess
umzukehren und Wasserstoff von der Metalllegierung freizugeben,
wird der Umgebungsgasdruck des Wasserstoffs in der Umgebung innerhalb
der Brennstoffzelle, die das Wasserstoffabsorptionsmaterial umgibt,
unter den Plateaudruck verringert oder die Temperatur des Materials
wird angehoben, so dass sie eine Temperatur erreicht, bei der der
Außendruck
niedriger als der Plateaudruck (Punkt B) ist.
Viele
der Niedertemperaturmetallhydride, wie beispielsweise Lanthanpentanickel
(LaNi5) sind besonders zum Heizen eines
Brennstoffzellensystems beim Start geeignet. Wenn somit die Wasserstoffabsorptions- und
Systemtemperatur unter 25°C
liegt, muss beispielsweise der Druck des Wasserstoffgases in der
Nähe des Wasserstoffabsorptionsmaterials
(d. h. LaNi5) größer als 182,4 kPa (1,8 atm)
bei 25°C
sein, um ein Atomverhältnis
von Wasserstoff zu Metall von 0,9 (der oberen Grenze des Plateaudrucks)
zu erreichen. Der höhere Außenwasserstoffdruck
begünstigt
eine Absorptionsreaktion des Wasserstoffs in das Wasserstoffabsorptionsmaterial,
was seinerseits Wärme
freisetzt. Das Wasserstoffsystem ist bevorzugt das gleiche System,
das Wasserstoffgas an die Brennstoffzellen liefert, wobei es jedoch
auch durch einen unabhängigen
Speicher- oder Versorgungsbehälter
vorgesehen sein kann. Bei einem typischen Brennstoffzellensystem
befindet sich das Wasserstoffgas, das an die Brennstoffzelle beim
Start geliefert wird, auf einem minimalen Druck von 810,6 kPa (8 atm).
Somit überschreitet
der Wasserstoffeinlassdruck den Plateaudruck bei relativ niedrigen
Starttemperaturen unter 25°C.
Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
können
die Heizelemente eines Systems in einem unabhängigen Gasumwälzsystem
betrieben werden, das den erforderlichen Druck in dem Heizerelement
durch Ausgestaltung und Regulierung von Leitungen und Ventilen erzeugt.
Es ist denkbar, Wasserstoff bei Drücken zu liefern, die 3040 kPa
(30 atm) Überdruck
bei 25°C überschreiten,
und somit kann das Wasserstoffabsorptionsmaterial, das bei bevorzugten
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet wird, weniger oder gleich etwa
3040 kPa (30 atm) bei 25°C
sein. Je größer der
Differenzdruck zwischen dem Gleichgewichtsdruck des Wasserstoffabsorptionsmaterials
und der Wasserstoffversorgung ist, um so größer ist die Treibkraft für die Absorption
von Wasserstoff. Somit ist allgemein eine Maximierung des Differenzdrucks
bevorzugt, um die Zeit für
die Wasserstoffabsorption zu verringern.
Wenn
das Wasserstoffabsorptionsmaterial nachgeladen (d.h. durch Spülen von
Wasserstoff regeneriert) wird, muss gemäß der vorliegenden Erfindung
der Wasserstoffpartialdruck in der umliegenden Umgebung niedriger
als der Plateaudruckwert bei den stationären Betriebstemperaturen sein.
In dem Fall von LaNi5, wenn sich die Umgebungstemperatur
und das Absorptionsmaterial 65°C
annähern,
sollte der Außendruck
unter etwa 709,3 bis 810,6 kPa (7 bis 8 atm) sein, um eine Wasserstoffdesorption
zu begünstigen.
Ein typisches Brennstoffzellensystem arbeitet zwischen 101,3 und
283,7 kPa (1 und 2,8 atm) absolut und der Partialdruck von Wasserstoff
ist allgemein niedriger als der Gleichgewichtsdruck, der eine Wasserstofffreigabe
aus der Metallhydridform des Wasserstoffabsorptionsmaterials begünstigt.
Somit können
bevorzugte Wasserstoffabsorptionsmaterialien einen hohen Gleichgewichtsdruck
bei stationären
Betriebsdrücken
und -temperaturen haben, da die Aufgabe darin besteht, den Systembetriebsdruck
unter dem Gleichgewichtsdruck zu haben, ungeachtet dessen, wie hoch
dieser ist. Je größer der
Differenzdruck zwischen dem Systembetriebsdruck und dem Gleichgewichtsdruck
ist, um so größer ist
die Treibkraft, um den Wasserstoff freizugeben. Die PCT-Charakteristiken des
Wasserstoffabsorptionsmaterials sind bevorzugt, um Wasserstoff innerhalb
der normalen Betriebsbedingungen der Temperatur und des Drucks des
Brennstoffzellensystems zu laden und zu entladen. Ein bevorzugter
Aspekt der vorliegenden Erfndung ist, dass der Heizer ohne Notwendigkeit
zusätzlicher
Druckbeaufschlagungs- oder Konditionierungssysteme arbeiten kann
und effektiv in existierenden Brennstoffzellenbetriebsbedingungen
arbeiten kann, insbesondere bei der Bereitstellung von Wärme bei
Kaltstartbetriebsbedingungen.
Ein
anderer bevorzugter Aspekt bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung umfasst ein selbstregulierendes Heizsystem aufgrund der
Thermodynamik und Reaktionsrate des Wasserstoffabsorptionsmaterials,
das auf die Rate der Erwärmung
der Umgebung anspricht. Beispielsweise wird in dem Fall eines Kaltstarts
bei Temperaturen unter 0°C,
wenn Wasserstoff in das Wasserstoffabsorptionsmaterial eingeführt wird,
dieser absorbiert, wobei Wärme
freigegebt wird. Diese Wärme überträgt sich
schnell an die benachbarte relativ kalte umliegende Umgebung und
Komponenten über
thermisch leitendes Material, wodurch das Absorptionsmaterial selbst
relativ kalt bleibt. Da Wärme
an die Umgebungsbereiche übertragen
wird, steigt auch die Temperatur des Absorptionsmaterials selbst
im Verhältnis
zu der Rate der Temperaturänderung,
was den Plateaudruck erhöht,
wenn die Temperatur zunimmt. Je größer der Differenzdruck zwischen
dem tatsächlichen Wasserstoffgasdruck
und dem Plateaudruck ist, um so größer ist eine Treibkraft für die Reaktion
in dem Wasserstoffabsorptionsmaterial. Somit wird, wenn die Temperatur
des Materials allmählich
zunimmt, der Differenzdruck abnehmen, wodurch die Treibkraft für die Reaktion
vermindert wird. Wenn die Rate der Wasserstoffaufnahme (Reaktion
in dem Material) langsamer wird, vermindert sich ebenfalls die Wärmefreigabe
und gleicht sich schließlich
aus, so dass die Temperatur des Wasserstoffabsorptionsmaterials
gleich der Temperatur der umliegenden Umgebung in der Brennstoffzelle
ist. Dies setzt voraus, dass in der Zelle keine elektrochemischen
Reaktionen stattfinden. In dem Fall von LaNi5 beträgt eine
derartige Gleichgewichtstemperatur etwa 65°C. In Wirklichkeit kann die
Umgebung Wärme
in den elektrochemischen Reaktionen erzeugen, die die Temperatur
des Wasserstoffabsorptionsmaterials überschreitet. Somit ist die
Rate der Wärmefreigabe
von dem Wasserstoffabsorptionsmaterial proportional zu der Rate
der Wärmeanforderung
in dem System.
3 zeigt
eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung mit einem einzelnen
Heizerelement gemäß der vorliegenden
Erfindung, die ein vereinfachtes Verfahren zum Steuern eines Heizerelements 56 für das Brennstoffzellensystem
durch ein unabhängiges
Gasumwälzsystem
vorsieht. Ein Heizerelement 56 steht in Fluidverbindung
mit einer Wasserstoffversorgungsleitung 58. Die Versorgungsleitung 58 ist
mit einem Wasserstoffversorgungstank 60 oder einer Wasserstoffquelle
(bevorzugt dieselbe Quelle, die Wasserstoff an die Brennstoffzellen
in dem Stapel 48 von 1 liefert)
verbunden. Ein betätigtes
Einlasssteuerventil 62 ist vor einem Einlass 64 zu
dem Heizerelement 56 angeordnet. Eine Auslassleitung 66 ist
ebenfalls vorgesehen, die in Fluidverbindung mit einem Auslass 68 des
Heizerplattenelements 56 steht. Ein Druckentlastungsventil 70 ist
in der Auslassleitung 66 nahe dem Auslass 68 des
Heizerelements 56 angeordnet. Ein betätigtes Auslasssteuerventil 72 ist
in der Auslassleitung 66 nach dem Druckentlastungsventil 70 angeordnet.
Bei bevorzugten Ausführungsformen
ist die Auslassleitung 66 mit der Wasserstoffversorgung
verbunden, die zu den Brennstoffzellen in dem Stapel führt (beispielsweise 44 von 1).
Die
betätigten
Einlass- und Auslasssteuerventile 62, 72 sind
mit einem Controller 74 verbunden. Bei bevorzugten Ausführungsformen
betätigt
der Controller 74 die Steuerventile 62, 72 auf
Grundlage eines vorbestimmten Zeitintervalls. Das Zeitintervall
kann für
die Wärme,
die für
Startbedingungen notwendig ist, auf Grundlage der Charakteristiken
des Wasserstoffabsorptionsmaterials berechnet sein, das für das Heizerelement 56 gewählt ist.
Somit wird beim Start der Brennstoffzelle das Einlassventil 62 geöffnet, um
einen Zutritt von Wasserstoffgas zu dem Heizerplattenelement 56 zu
erlauben. Das geschlossene Auslassventil 72 lässt einen
Druckaufbau in dem Heizerelement 56 zu, wodurch ein Druck
gut oberhalb des Gleichgewichtsdrucks des Wasserstoffabsorptionsmaterials
errichtet wird und daher eine Absorption des Wasserstoffs in die
Metalllegierung begünstigt
wird. Nachdem die Startabfolge vervollständigt ist und die vorbestimmte
Zeit vergangen ist, wird das Einlassventil 62 geschlossen,
wodurch ein Eintritt von Wasserstoffgas in das Heizerplattenelement 56 gestoppt
wird, während
das Auslassventil 72 offen ist. Obwohl der vorbestimmte
Zeitparameter für
das Steuersystem aufgrund seiner relativen Vereinfachung bevorzugt
ist, können
bei alternativen Ausführungsformen
beliebige Systemparameter oder Kombinationen aus Parametern verwendet
werden, um die betätigten Ventile 62, 72 zu
steuern, wie beispielsweise die Temperatur.
Das
Druckentlastungsventil 70 wird auf einen Entlastungsdruck
eingestellt, der einem Druck entspricht, der geringfügig kleiner
als der Gleichgewichtsdruck ist (beispielsweise dem Gleichgewichtsdruck,
der Temperaturen zwischen etwa 60°C
bis etwa 70°C
oder dem unteren Bereich stationärer
Betriebstemperaturen entspricht). Somit überschreitet, sobald das Heizerelement 56 eine
stationäre
Temperatur erreicht, der Druck den Einstellpunkt des Druckentlastungsventils 70 und
das Wasserstoffgas tritt aus dem Heizelement 56 durch die
Auslassleitung 66 durch das Druckentlastungsventil 70 und
aus dem offenen Auslassventil 72 hinaus aus. Wenn die Systemtemperatur
niedriger als die stationäre
Betriebstemperatur ist, wird das Wasserstoffgas in dem Heizelement 56 zwischen
dem Druckentlastungsventil 70 und dem geschlossenen Einlassventil 62 gehalten,
was eine Absorption der verbleibenden Menge an gehaltenem Wasserstoff
aufgrund des Druckaufbaus begünstigt.
Die Wasserstoffabsorption hält
an, während
eine ausreichende Wasserstoffversorgung und zusätzliche Metallhydridkapazität zur Wasserstoffaufnahme
verbleibt. Nachdem der Druck den Schwellendruck überschritten hat, wird dieser
durch das Entlastungsventil 70 freigegeben und tritt wieder
in das Wasserstoffversorgungssystem ein, um in die Brennstoffzellen
zur elektrochemischen Reaktion transportiert zu werden. Ein bevorzugter
Vorteil der vorliegenden Ausführungsform
besteht darin, dass eine ausreichende Menge von Wasserstoff in das
Heizelement 56 aufgenommen wird, um eine weitere Aufheizung
während
eines Bereichs von Starttemperaturen zu erleichtern, wobei der gespeicherte
Wasserstoff jedoch vor einer unnötigen
Erhitzung des Brennstoffzellensystemsfreigegeben wird. Der Betrieb
des Heizelements 56 entspricht dem Brennstoffzellensystembetrieb
und ist selbstregulierend, ohne die Notwendigkeit zusätzlicher
Steuersysteme. Ferner wird das Wasserstoffabsorptionsmaterial während dieses
Prozesses regeneriert, wodurch es für Brennstoffzellensysteme besonders
vorteilhaft gemacht wird, die diskontinuierlich verwendet werden
und möglicherweise häufigen Starts
bei kalten Umgebungsbedingungen (beispielsweise Fahrzeuganwendungen)
ausgesetzt sind.
Eine
alternative bevorzugte Ausführungsform
ist ein Stapel mit mehreren Heizerelementen, der ausgebildet ist,
wie in 4 gezeigt ist. Die Wasser stoffversorgung 60 tritt
in die Einlassleitung 58 durch das Einlassventil 62 in
derselben Weise wie bei einem Stapel mit einer einzelnen Platte 56,
wie in 3 gezeigt ist, ein. Eine interne Leitung 75 in
der Leitung 76, die eine Fluidverbindung vorsieht, teilt
sich in einen Verteilerstapel 77 aus mehreren Heizerelementen 56a, 56b, 56c, 56d in
dem einzelnen Stapel 77. Die interne Leitung 75 ist
ferner mit dem Druckentlastungsventil 70 verbunden, das
sich in Verbindung mit dem Auslassventil 72 befindet, das
zu der Auslassleitung 66 führt. Bei der vorliegenden Ausführungsform
werden mehrere Heizerelementplatten 56a, 56b, 56c und 56d alle
parallel betrieben und sehen einen Weg vor, den einzelnen Stapel 77 mit
mehreren Heizerplatten unter Verwendung derselben Ventilausgestaltung,
desselben Controllers und derselben thermischen Regulierung wie
bei der der vorherigen Ausführungsform,
die in 3 gezeigt ist, zu starten. Es sei angemerkt, dass
mehrere Heizerelemente in einem Brennstoffzellensystem erforderlich
sein können,
die unabhängige
Stapel bedienen. Somit können
in Brennstoffzellensystemen mehrere Stapel miteinander in Reihe
oder parallel verschaltet sein. Wie oben beschrieben ist, können mehrere
Heizerplattenelemente in einem einzelnen Stapel enthalten sein und
können
an die vorliegende Erfindung angepasst werden. In 5 enthält jeder
der mehrfachen Brennstoffzellenstapel 77a, 77b, 77c, 77d ein
oder mehrere Heizerelemente 56a', 56b', 56c' und 56d'. Die Wasserstoffspeicherversorgung 60 ist
mit der Einlassleitung 58 verbunden, die betätigte Einlassventile 62, 62a, 62b, 62c und 62d aufweist,
die zu jedem jeweiligen Heizerelement 56a', 56b', 56c' und 56d' führen. Jedes jeweilige Heizerelement 56a', 56b', 56c' und 56d' ist an dem
Auslass mit jeweiligen Druckentlastungsventilen 70a, 70b, 70c und 70d wie
auch mit den Auslassventilen 72a, 72b, 73c und 72d verbunden.
Die Auslassleitung 66 sieht einen Pfad für Wasserstoffabfluss
vor, der von jedem der Stapel 77a, 7bb, 77c und 77d ausgestoßen wird.
Der Controller 74a sieht eine ähnliche Ventilregulierung wie
bei vorhergehenden Ausführungsformen
vor. Ein Betrieb der betätigten
Einlass- und Auslassventile 62, 72 ist ähnlich der vorher
beschriebenen Ausführungsform
und wird bevorzugt durch eine Zeitabfolge bestimmt, die für den Start berechnet
ist. Jedoch können
auch andere Systemparameter verwendet werden, um die Steuerabfolgen
in dem Controller 74a zu bestimmen (wie vorher oben beschrieben
wurde). Bevorzugte Aspekte der vorliegenden Ausführungsform umfassen eine Ausgestaltung,
die einen unabhängigen
Betrieb und eine unabhängige
Regulierung der Strömung
in und aus jedem Stapel ermöglicht,
so dass der Betrieb nicht für
einen Einzelsystemstart zweckgebunden ist sondern einen unabhängigen Startvorgang
und ein unabhängiges
Abschalten der jeweiligen Stapel 77a-d erleichtern kann.
Wie für
Fachleute angemerkt ist, kann die tatsächliche Anordnung und Anzahl
von Ventilen und Rohren in der Systemausgestaltung variieren und
dennoch dieselben Betriebsergebnisse erzielen. Die vorliegende Ausgestaltung
demonstriert ein bevorzugtes Verfahren, um derartige Betriebsergebnisse
zu erzielen, wobei jedoch auch andere Variationen von der vorliegenden
Erfindung umfasst sind, um dieselben Betriebsresultate zu erzielen.
Bevorzugte
Metalllegierungen, die als Wasserstoffabsorptionsmaterial geeignet
sind, sind somit in der Lage, Metallhydride bei relativ niedrigen
Temperaturen zu bilden, denen eine Brennstoffzelle ausgesetzt ist, und
sind in der Lage, Wasserstoff bei den stationären Betriebstemperaturen des
Brennstoffzellensystems zu desorbieren. Beispiele von einer Gruppe
bevorzugter Metalllegierungen gemäß der vorliegenden Erfindung können durch
die folgende nominelle Formel ausgedrückt werden: AB5 oder
AB2, wobei A die erste Metallart ist, die
bevorzugt ein Seltenerdmetall oder Kalzium oder Titan ist, und B
eine zweite Metallart ist, die bevorzugt ein Übergangsmetall oder Aluminium
ist. Seltenerdmetalle gemäß der vorliegenden
Erfindung umfassen Lanthan (La), Neodym (Nd), Cer (Ce), Praseodym
(Pr), und Übergangsmetalle
können
umfassen: Eisen (Fe), Zinn (Sn), Nickel (Ni), Aluminium (Al), Kobalt
(Co) und Mangan (Mn) und ist auch bevorzugt. "A" kann
auch ein Mischmetall sein (in der Technik als "Mm" bezeichnet),
das eine kommerziell erhältliche
Mischung aus Seltenerdmetallen ist, vorwiegend Ce, La, Nd und Pr.
Nicht beschränkende
Beispiele bevorzugter AB5-Wasserstoffabsorptionsmetalllegierungen
umfassen LaNi5 und MmNi5.
LaNi5 ist eine besonders bevorzugte Wasserstoffabsorptionsmetalllegierung
bzw. Niedertemperaturhydridverbindung.
Andere
bevorzugte Wasserstoffabsorptionsmetalllegierungen können Mischungen
aus Metallen von B-Metallarten umfassen und können durch die folgende nominelle
Formel ausgedrückt
werden: B = Ba(1-x)Bb(x), wobei
Ba ist ein erstes Übergangsmetall ist; Bb ein zweites Übergangsmetall ist; und x < 1. Beispiele von AB5-Mischungen von Wasserstoffabsorptionslegierungen
können
umfassen LaNi4,7Al0,3,
TiFe0,9Mn0,1, MmNi4,5Al0,5 und MmNi4,5Mn0,5. Nutzbare
AB2-Wasserstoffabsorptionsmetalllegierungen
umfassen beispielsweise ZrFe1,5Cr0,5. Weitere Beispiele bevorzugter Wasserstoffabsorptionslegierungen
gemäß der vorliegenden Erfindung
können
Mischungen der Komponente der ersten A-Metallart aufweisen, die
durch die nominelle Formel ausgedrückt wird: A = Aa(1-y)Ab(y), wobei Aa ein
erstes Metall oder Mischmetall in der ersten Metallart ist, Ab ein zweites Metall oder Mischmetall in
der ersten Metallart ist und y < 1
ist. Ein nicht beschränkendes
Beispiel einer derartigen Legierung kann Ca0,7Mm0,3Ni5 umfassen.
Andere geeignete Wasserstoffabsorptionsmetalllegierungen umfassen
zum Beispiel LaMm(NiSn)5 oder Ti0,98Zr0,02V0,43Fe0,09Cr0,05Mn1,5, TiV0,62Mn1,5, TiFe.
In TABELLE 1 nachfolgend sind gewählte Wasserstoffabsorptionsmetalllegierungsmaterialien,
die mit der vorliegenden Erfindung geeignet sind, gezeigt, die die
Temperatur, die einem Gleichgewichtsplateaudruck von 101,3 kPa (1
atm) entspricht, wie auch den Gleichgewichtsplateaudruck bei 25°C demonstriert.
Diese Materialien weisen einen erwünschten relativ niedrigen Gleichgewichtsdruck
bei niedrigen Temperaturen auf, die mit Heizelementen gemäß der vorliegenden
Erfindung kompatibel sind.
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wie in 6 gezeigt
ist, dient ein Heizelement für
die Brennstoffzelle auch als eine funktionelle Komponente des Brennstoffzellenstapels.
Eine Anschlusskollektorplatte 99 ist mit elektrisch leitenden
Gebieten 102 gezeigt, die typischerweise von elektrischen
nicht leitenden Gebieten 100 durch Dichtungselemente 33, 35 (1)
getrennt sind. Öffnungen 104 in dem
nicht leitenden Gebiet 100 verlaufen durch den Körper oder
durch das Substrat 128 der Anschlussplatte 99 und
erlauben einen Fluidtransport (beispielsweise H2,
O2, Kühlmittel,
Anoden- und Kathodenabfluss) sowohl in als auch aus dem Stapel während der
Betriebsbedingungen. Die jeweilige Menge oder Abfolge der Öffnungen 104 ist
nicht beschränkend
und lediglich beispielhaft, wie hier beschrieben ist, da zahlreiche
Ausgestaltungen möglich
sind, wie für
Fachleute offensichtlich ist. Eine Strömungsfeldkonstruktion einer
bipolaren Platte kann die Ausgestaltungen der Einlass- und Auslassöffnungen 104 wie
auch die Fluidlieferanordnung bestimmen. Eine elektrisch leitende
Kollektorlasche 120 kann an externen Leitungen (nicht gezeigt)
befestigt werden, wodurch das externe Sammeln von Strom von dem
Stapel erleichtert wird. Die Anschlussplatte 99 besitzt
auch einen Speicherbehälter 122,
der das elektrisch leitende Gebiet 102 besetzt.
Wie
am besten in 7 zu sehen ist, enthält der Speicherbehälter 122 eine
obere Abdeckplatte 150 und eine untere Abdeckplatte 152.
Die obere Abdeckplatte 150 besitzt eine Vielzahl von Nuten 154,
die an einer Innenseite 156 ausgebildet sind und mit Stegen 158 durchsetzt
sind. Bei alternativen bevorzugten Ausführungsformen kann eine der
Abdeckplatten eine flache Oberfläche
sein und kann die Nuten abdecken, die ausschließlich in der entgegengesetzten
Platte ausgebildet sind (nicht gezeigt). Bei anderen alternativen
Ausführungsformen
kann der Speicherbehälter 122 aus
einem festen Materialstück
sein, in welchem die Kanäle
darin geformt sind (beispielsweise durch Bohren). Die untere Abdeckplatte 152 besitzt
auch eine Vielzahl von Nuten 160, die mit Stegen 162,
die an einer Innenseite 164 ausgebildet sind, durchsetzt
sind. Die Stege 158 der oberen Abdeckplatte 150 treffen
mit den Stegen 162 der unteren Abdeckplatte 152 an
eine Vielzahl von Kontaktpunkten 166 zusammen, wo es bevorzugt
ist, dass eine Dichtung ausgebildet wird, die verhindert, dass Fluid und
Partikel über
die Stege gelangen. Die Nuten 154, 160 können durch
ein beliebiges in der Technik bekanntes Verfahren ausgebildet werden,
einschließlich
Fließpressen,
spanende Bearbeitung, Formen, Schneiden, Schrämen, Prägen, Photoätzen, wie beispielsweise durch
eine photolithografische Maske, oder durch einen anderen geeigneten
Konstruktions- und
Herstellprozess.
Da
der Stapel beim Brennstoffzellenbetrieb unter Kompressionskraft
steht, bilden die Stege 158, 162 allgemein eine
starke Dichtung ohne Erfordernis einer zusätzlichen Dichtung. Bei bestimmten
alternativen bevorzugten Ausführungsformen
kann ein leitender Klebstoff, eine Diffusionsverschweißung oder
eine Hartverlötung
an den Kontaktpunkten 166 verwendet werden, um die bauliche
Integrität
der Dichtung sicherzustellen, wie in der Technik bekannt ist. Somit
werden, wenn die oberen und unteren Abdeckplatten 150, 152 miteinander
in Kontakt gebracht werden, eine Vielzahl von Kanälen 170 gebildet.
In den Kanälen 170 ist
ein Wasserstoffspeichermaterial 172 in Partikelform angeordnet,
um einen porösen
Pfad zu bilden, der eine Fluidströmung durch die gesamte Länge des
Kanals 170 zulässt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen
besitzen die Metalllegierungspartikel eine Porengröße im Bereich
von weniger als 20 μm
(beispielsweise 15 μm)
bis zu etwa 40 μm. Der
Einfachheit halber ist das Wasserstoffspeichermaterial 172 nur
in einigen Kanälen 170 gezeigt,
wobei es bevorzugt jedoch in jedem Kanal 170 angeordnet
ist.
Unter
erneuter Bezugnahme auf 6 ist eine Wasserstoffleitung 180 vorgesehen,
um eine Fluidverbindung (beispielsweise Wasserstoffgas) zwischen
dem Speicherbehälter 122 und
dem umgebenden Gebiet der Anschlusskollektorplatte 99 zuzulassen.
Die Leitung 180 führt
zu einem Sammelleitungsgebiet 182 in dem Speicherbehälter 122,
das sich von einer Seite 184 des Speicherbehälters 122 zu
einer entgegengesetzten Seite 186 erstreckt. Die Sammelleitung 182 steht
in Fluidverbindung mit jedem Kanal 170 und lässt einen
Zutritt und Austritt von Wasserstoffgas von jedem Kanal 170 zu.
Viele der bevorzugten Wasserstoff absorbierenden Metalllegierungsmaterialien
werden in ein Pulver (oder eine kleinere Partikelform) umgewandelt,
wenn sie Metallhydride werden. Ein Filter 188 ist zwischen
der Sammelleitung 182 und den Kanälen 170 angeordnet, der
sich von einer Seite 184 zu der gegenüberliegenden Seite 184 er streckt.
Der Filter 188 verhindert einen Verlust der Pulverform
des Wasserstoffspeichermediums 172 während der Freigabe von Wasserstoffgas
bei dem Regenerationsschritt. Somit ist es, wenn diese Materialien
verwendet werden, bevorzugt, dass ein Filter 188 eine Porengröße zwischen
etwa 0,5 bis etwa 20 μm
besitzt und zwischen der Wasserstoffleitung 180 bzw. Sammelleitung 182 und
dem Wasserstoffabsorptionsmaterial 172 angeordnet ist.
Ein derartiger Filter 188 kann beispielsweise aus gesintertem
rostfreiem Stahl ausgebildet sein. Ferner können, wie für Fachleute angemerkt ist,
die Ausgestaltungen der Kanäle 170 und
die Anordnung und Anzahl der Leitung 180 von der in 6 gezeigten
Ausgestaltung abweichen und können
eine Einlass- und Auslassleitung für die Platte, mehrere Leitungen,
mehrfache Kanäle
oder mehrfache Sammelleitungen und Filter umfassen, die einen Fluidzutritt
und -austritt von dem Speicherbehälter 122 zulassen.
Nachdem die obere Abdeckplatte 150 über der unteren Abdeckplatte 152 angeordnet
ist, wird eine Seitenabdeckung 190 nahe einem Seitenende 192 des
Speicherbehälters 122 positioniert.
Die oberen und unteren Abdeckplatten 150, 152 sind
miteinander durch ein beliebiges bekanntes Verfahren in der Technik
gekoppelt, wie beispielsweise Schweißen, Hartlöten oder Kleben. Die Vielzahl
von Befestigungselementen 194, wie gezeigt ist, befestigt
oder bringt die Seitenabdeckung 190 an dem Speicherbehälter 122 an.
Die
Aufbaumaterialien für
den Speicherbehälter 122 sind
bevorzugt bezüglich
einer Beständigkeit
gegenüber
Angriff durch Wasserstoff (beispielsweise Wasserstoffversprödung), da
das Material sehr stark Wasserstoffgas ausgesetzt ist; wie auch
einer hohen thermischen Leitfähigkeit
zur Übertragung
von Wärme
an Gebiete der Platte 99 neben dem Speicherbehälter 122 gewählt. Andere
bevorzugte Charakteristiken umfassen eine hohe elektrische Leitfähigkeit,
wo das Heizplattenelement in dem Brennstoffzellenstapel angeordnet
ist und Strom leiten muss, so dass es den elektrischen Widerstand
des Stapels nicht erhöht,
wie auch eine Undurchlässigkeit
gegenüber
Gas, eine niedrige Dichte, eine Korrosionsbeständigkeit, eine Musterdefinition,
eine thermische Stabilität
und Musterstabilität,
eine maschinelle Bearbeitbarkeit, Kosten und Verfügbarkeit.
Ferner sollten, wenn der Speicherbehälter 122 in ein funktionelles
Element, wie beispielsweise die Anschlusskollektorplatte 99 integriert
ist, diese Materialien durch eine ausreichende Haltbarkeit und Starrheit
gekennzeichnet sein, um in einem leitenden Element in einer Brennstoffzelle
zu funktionieren.
Bevorzugte
Aufbaumaterialien können
ein elektrisch leitendes Metall, eine Metalllegierung oder ein Verbundmaterial
umfassen. Verfügbare
Metalle und Legierungen umfassen Titan, Aluminium, Platin, rostfreien Stahl,
auf Nickel basierende Legierungen und deren Kombinationen. Verbundmaterialien
können
Graphit, Graphitfolie, leitende Partikel (beispielsweise Graphitpulver)
in einer Polymermatrix, Kohlefaserpapier und Polymerlaminate, Polymerplatten
mit Metallkernen, leitende beschichtete Polymerplatten und deren
Kombinationen umfassen. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
ist der Speicherbehälter
aus Materialien aufgebaut, die Aluminium umfassen. Ein besonders
bevorzugtes Baumaterial ist AlMg3, das allgemein
nicht anfällig
gegenüber
Wasserstoffangriff ist und ferner eine relativ hohe elektrische
und thermische Leitfähigkeit
besitzt und relativ leicht ist.
Andere
Baumaterialien können
Metalle umfassen, die gegenüber
Wasserstoffangriff anfällig
sind, wie beispielsweise Titan, Platin, rostfreien Stahl oder auf
Nickel basierende Legierungen, die mit elektrisch leitenden prophylaktischen
Polymermatrixbeschichtungen, die in der Technik bekannt sind, bedeckt
sind, welche das darunter liegende Substrat vor einem Wasserstoffangriff
oder vor Korrosion schützen.
Die bevorzugten leitenden prophylaktischen Polymermatrixbeschichtungen
umfassen eine Polymermatrix, die ein Basispolymer oder eine Mischung
aus Polymeren umfasst, die wasserunlöslich sind, wenn sie vernetzt
oder gehärtet
sind, und die einen dünnen
anhaftenden Film an dem Metall- oder Verbundsubstrat von 128 unterhalb
bilden können.
Ferner können
bevorzugte Polymere für
eine Schutzbeschichtung die raue oxidative und saure Umgebung der
Brennstoffzelle aushalten. Daher werden Polymere, wie beispielsweise
unter anderem Epoxydharze, Silikone, Polyamidimide, Polyetherimide,
Polyphenole, Fluorelastomere (beispielsweise Polyvinylidenfluorid), Polyester,
Phenoxyphenole, Epoxidphenole, Acrylharze und Urethane als verwendbar
mit der vorliegenden Erfindung betrachtet. Vernetzte Polymere sind
zur Herstellung undurchlässiger
Beschichtungen bevorzugt, die korrosionsbeständige Eigenschaften vorsehen.
Die
Polymermatrix umfasst zusätzlich
leitende Partikelfüllstoffe,
um die notwendige Leitfähigkeit
zu ermöglichen.
Es ist bevorzugt, dass die leitende prophylaktische Polymermatrixbeschichtung
elektrisch leitend ist und einen spezifischen elektrischen Widerstand
von weniger als etwa 50 Ohm-cm besitzt. Abhängig von den Eigenschaften
des gewählten
Polymers kann die leitende prophylaktische Polymermatrixbeschichtung
optional ferner oxidationsbeständige,
säureunlösliche,
elektrisch leitende Partikel (d.h. weniger als etwa 50 μm) umfassen,
die über
die leitende prophylaktische Polymermatrixbeschichtung verteilt
sind. Diese leitenden Partikel erlauben eine elektrische Leitfähigkeit
durch die leitende prophylaktische Polymermatrixbeschichtung. Die leitenden
Partikel sind aus der Gruppe gewählt,
die umfasst: Gold, Platin, Graphit, Kohlenstoff, Nickel, leitende Metallboride,
-nitride und -carbide (beispielsweise Titannitrid, Titancarbid,
Titandiborid), Titanlegierungen, die Chrom und/oder Nickel enthalten,
Palladium, Niob, Rhodium, Seltenerdmetalle oder andere Edelmetalle.
Am bevorzugtesten umfassen die Partikel Kohlenstoff oder Gra phit
(d.h. hexagonal kristallisierten Kohlenstoff). Die Partikel umfassen
variierende Gewichtsprozentsätze
der Polymermatrix abhängig
von sowohl den leitenden Eigenschaften des Polymers selbst (Bestimmung
des Ausmaßes
der erforderlichen Leitfähigkeit)
als auch ferner der Dichte und Leitfähigkeit der Partikel (d.h.
Partikel mit einer hohen Leitfähigkeit
und einer niedrigen Dichte können
in geringeren Gewichtsprozentsätzen
verwendet werden). Kohlenstoff- bzw. graphithaltige leitende Polymermatrixbeschichtungen
enthalten typischerweise 25 Gewichtsprozent Kohlenstoff/Graphitpartikel.
Beispiele korrosions- und oxidationsbeständiger Schutzpolymere, die
eine Vielzahl elektrisch leitender Füllpartikel enthalten, sind
ferner in dem U.S. Patent Nr. 6,372,376 von Fronk, et al. beschrieben.
Bei
alternativen bevorzugten Ausführungsformen
gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie in 8 gezeigt ist, sind Heizelemente
benachbart verschiedener Abschnitte des Stapels angeordnet, um eine
Erwärmung
bei Startbedingungen zu unterstützen,
wobei jedoch anstatt einer Kombination mit einer funktionellen Komponente
des Brennstoffzellenstapels diese Elemente hauptsächlich als
ein unabhängiges
Heizelement verwendet sind. Ein derartiges Heizerelement kann Wärme an andere
Teile des Brennstoffzellensystems wie beispielsweise das Kühlmittelsystem,
das Brennstoffreformierungssystem und andere Teile liefern, kann
den Stapel umgeben, kann sich benachbart des Stapels befinden oder
kann in dem Stapel selbst angeordnet sein. In 8 ist
eine erste Heizerplatte 200 zwischen der ersten Endbasisplatte 10 und
der Anschlusskollektorplatte 14 an der ersten Seite des
Stapels 55 angeordnet, und eine zweite Heizerplatte 202 ist
an der gegenüberliegenden
Seite 56 des Stapels zwischen der gegenüberliegenden Endbasisplatte 11 und
der gegenüberliegenden
Anschlusskollektorplatte 15 angeordnet. Die Heizerplatten 200, 202 sind
mit der Wasserstoffversorgungsleitung 44 verbunden, die
eine Wasser stoffgasversorgung liefert. Eine derartige Verbindung
umfasst bevorzugt eine Verbindung mit einem unabhängigen Wasserstoffgasumwälzsystem,
das Wasserstoff von der Wasserstoffversorgungsleitung 44 entnimmt
(nicht gezeigt, jedoch in den 3 und 4 beschrieben).
Ferner kann, nachdem das Hydrid in den Heizerplatten 200, 202 gebildet
und regeneriert ist, um wieder die Metalllegierung zu bilden, wie
vorher beschrieben wurde, der Wasserstoff in die Wasserstoffversorgungsleitung 44 entladen
und in andere Brennstoffzellen zugeführt werden, in denen elektrochemische
Reaktionen ablaufen.
Bei
alternativen bevorzugten Ausführungsformen,
wie beispielsweise derjenigen, die in 9 gezeigt ist,
sind die unabhängigen
Heizelemente in dem Stapel an einem Ort angeordnet, der von dem
Ort verschieden ist, der in 8 gezeigt
ist. Eine erste Heizerplatte 204 ist zwischen einer Innenseite 206 der
ersten Anschlusskollektorplatte 14 und dem ersten Fluidverteilungselement 16 (d.h.
dem Anschlussende 55 der Brennstoffzelle) angeordnet. Eine
zweite Heizerplatte 208 ist in ähnlicher Weise an dem gegenüberliegenden
Ende des Stapels 56 in derselben Ausgestaltung zwischen
der zweiten Anschlusskollektorplatte 15 und einem zweiten
Fluidverteilungselement 17 angeordnet, das Reaktanden und
Kühlmittel
an die Anschlussbrennstoffzelle liefert.
Unter
allgemeinem Bezug auf die 10 und 11 (eine
Querschnittsansicht von 10) ist
ein Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform einer unabhängigen Heizerplatte 210 gezeigt.
Die Heizerplatte 210 umfasst einen Speicherbehälter 212,
der eine obere Abdeckplatte 214 und eine untere Abdeckplatte 216 umfasst.
Die obere Abdeckplatte 214 besitzt eine Vielzahl von Nuten 218,
die an einer Innenseite 220 ausgebildet sind und mit Stegen 222 durchsetzt
sind. Die untere Abdeckplatte 216 besitzt ebenfalls eine
Vielzahl von Nuten 224, die mit Stegen 226 durchsetzt
sind, die an einer Innenseite 227 ausgebildet sind. Bei
alternativen bevorzugten Ausführungsformen
kann eine der Abdeckplatten (214 oder 216) eine
flache Fläche
besitzen und kann mit den Stegen zusammentreffen, die in der entgegengesetzten
Platte gebildet sind, und dadurch Kanäle bilden (nicht gezeigt).
Die Stege 222 der oberen Abdeckplatte 214 treffen
mit den Stegen 226 der unteren Abdeckplatte 216 an
einer Vielzahl von Kontaktpunkten (nicht gezeigt) zusammen, die
bevorzugt eine Dichtung bilden, und zwar auf die gleiche Weise wie
bei den vorherigen Ausführungsformen
beschrieben ist. Ferner sind die Nuten 218, 224 auch
auf dieselbe Weise, wie vorher beschrieben, ausgebildet. Somit wird,
wenn die oberen und unteren Abdeckplatten 214, 216 miteinander
in Kontakt gebracht werden, eine Vielzahl von Kanälen 228 gebildet,
die Wasserstoffabsorptionsmaterial 230 enthalten. Bei der
vorliegenden Ausführungsform
sind die Kanäle 228 gegabelt
und werden durch die Nuten 218 an einer ersten Hälfte 231 der
ersten Abdeckplatte 214 und die Nuten 224 an einer
zweiten Hälfte 232 des
Speicherbehälters 212 gebildet.
Eine Wasserstoffleitung 234 tritt durch einen Zentralabschnitt 235 des
Speicherbehälters 212 ein
und bildet eine Wasserstoffsammelleitung 236, die in Fluidverbindung
mit der Vielzahl von Kanälen 228 an
der ersten und zweiten Seite 231, 232 steht. Ein
erster Filter 238 erstreckt sich von einer proximalen Seite 240 zu
einer distalen Seite 242 des Speicherbehälters 212 und
ist zwischen einem Einlass 244 der Vielzahl von Kanälen 228 an
der ersten Seite 231 und der Wasserstoffsammelleitung 236 angeordnet.
Ein zweiter Filter 246 erstreckt sich ähnlicherweise von der proximalen
Seite 240 zu der distalen Seite 242 des Speicherbehälters 212 und
ist zwischen dem Einlass 244 der Vielzahl von Kanälen 228 an
der zweiten Seite 232 und der Wasserstoffsammelleitung 236 angeordnet.
Ferner können
die Abdeckungen 214, 216 aneinander durch ein
herkömmliches
Befestigungsmittel, das in der Technik bekannt ist, befestigt werden,
das Klebstoffe, Hartlöten,
Diffusionsschweißen
oder eine Vielzahl von Befestigungseinrichtungen umfassen kann.
Eine Dichtung oder ein Dichtungselement 148 kann optional
zwischen den Abdeckungen 214, 216 angeordnet sein,
um eine fluiddichte komprimierbare Dichtung vorzusehen. Wie für Fachleute
angemerkt sei, können
die Anordnung und die Auswahl der Kopplungselemente variieren, wie
auch die Mittel, um eine fluiddichte Abdichtung bereitzustellen.
Bei
alternativen bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, wie beispielsweise der, die in 12 gezeigt
ist, können
Heizerplatten in den inneren Abschnitten des Stapels zwischen benachbarten Brennstoffzellen
angeordnet sein. Ein derartiger Heizerplattenzusammenbau 280 kann
in die bipolaren Fluidverteilungsplattenaufbauten integriert werden,
wie beispielsweise die, die in 1 mit 8
gezeigt ist, um eine Fluidlieferung von Reaktanden an benachbarte
Brennstoffzellen aufrechtzuerhalten, während ein Heizplattenspeicherbehälter 282 enthalten
ist. Ein abgewandelter Zusammenbau 280 einer bipolaren
Platte besitzt den Speicherbehälter 282,
der in sein inneres Gebiet 284 integriert ist. Wie für Fachleute
angemerkt, kann die Brennstoffzelle eine Vielzahl von Brennstoffzellen
(beispielsweise Hunderte) in einem Stapel umfassen, und die vorliegende
Ausführungsform
kann in der entsprechenden Vielzahl von bipolaren Platten verwendet
werden. Am bevorzugtesten sind die bipolaren Platten, die ein derartiges
Heizerelement mit einer Speichervorrichtung enthalten, in regelmäßigen Intervallen
zwischen den Zellen in dem Stapel abhängig von den Systemanforderungen
beim Betrieb angeordnet.
Wie
am besten in 13 gezeigt ist, umfasst die
abgewandelte bipolare Platte 280 eine erste Tafel 290 und
eine zweite Tafel 292. Die erste Tafel 290 besitzt
eine erste Arbeitsfläche 294 an
ihrer Außenseite,
die zu einer Membranelektrodenanordnung (nicht gezeigt) weist und
so ausgebildet ist, dass sie eine Vielzahl von Stegen 296 vorsieht,
die dazwischen eine Vielzahl von Nuten 298 definieren,
wodurch das "Strömungsfeld" erzeugt wird, durch
das die Reaktandengase der Brennstoffzelle (d.h. H2 oder
O2) strömen.
Wenn die Brennstoffzelle vollständig
zusammengebaut ist, pressen die Stege 296 an die Kohlenstoff/Graphit-Papiere
(wie beispielsweise 36 oder 38 in 1),
die ihrerseits an die MEAs (wie beispielsweise 4 bzw. 6 in 1)
pressen. Die zweite Arbeitsfläche 301 der
Lage 290 umfasst eine Vielzahl von Rippen 300,
die dazwischen eine Vielzahl von Nuten 302 definieren,
durch die ein Kühlmittel
beim Betrieb der Brennstoffzelle strömt. Unter jedem Steg 296 liegt
ein Kühlmittelkanal 304,
während
unter jeder Rippe 300 eine Reaktandengasnut 298 liegt.
Alternativ dazu kann die Tafel 290 flach sein und das Strömungsfeld
in einer separaten Materialtafel ausgebildet sein. Die Metalltafel 292 ist ähnlich der
Tafel 290. Eine Innenfläche 306 (d.h.
Kühlmittelseite)
befindet sich gegenüberliegend
zu einer zweiten Arbeitsfläche 308 der
Tafel 290.
Entlang
der inneren kühlmittelseitigen
Fläche 306 ist
eine Vielzahl von Rippen 310 angeordnet, die dazwischen
eine Vielzahl von Nuten 312 definieren, durch die Kühlmittel
in den Kanälen 314 strömt. Ähnlich der Tafel 290 besitzt
die Außenseite
der Tafel 292 die Arbeitsfläche 308, die eine
Vielzahl von Stegen 316 daran aufweist, die eine Vielzahl
von Nuten 318 definieren, durch die die Reaktandengase
gelangen. Ein Speicherbehälter 320 ist
zwischen der ersten Tafel 290 und der zweiten Tafel 292 positioniert.
Der Speicherbehälter 320 besitzt
eine erste Außenfläche 322 und
eine zweite Außenfläche 324,
wobei die Rippen 300 an der ersten Tafel 290 und
die Rippen 310 an der zweiten Tafel 292 (beispielsweise
durch eine Verbindungsschicht 326, wie beispielsweise eine
Hartlötung
oder Klebstoffe) mit den ersten bzw. zweiten Außenflächen 322, 324 des
Speicherbehälters
verbunden sind. Der Speicherbehälter 320 ist ähnlich wie
die oben beschriebenen elektrisch leitenden Heizerelemente der vorhergehenden
Ausführungsformen
aufgebaut und besitzt ähnlicherweise
Kanäle 330,
die innerhalb des Behälters 320 ausgebildet
sind, die das Wasserstoffabsorptionsmaterial 334 speichern. Die
Lieferung von Wasserstoffgas durch einen Filter ist nicht gezeigt,
ist jedoch auf dieselbe Weise ausgebildet, wie vorher oben beschrieben
wurde. Kühlmittelströmungskanäle 304, 314 sind
zwischen der ersten Außenfläche 322 des
Speicherbehälters 320 und
den Nuten 302 der ersten Tafel 290 wie auch zwischen
der zweiten Außenfläche 324 des
Speicherbehälters 320 und
den Nuten 312 der zweiten Tafel 292 ausgebildet.
Das Kühlmittel,
das durch die Kanäle 304, 314 strömt, erzeugt
eine Turbulenz, die einen Wärmeaustausch
mit den Außentafeln 290 bzw. 292 steigert.
Wie
für Fachleute
offensichtlich ist, können
die Heizerelemente der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Konstruktion
von denen, die oben beschrieben sind, abweichen, wie beispielsweise
hinsichtlich der Ausgestaltung der Strömungskanäle, der Anordnung und Anzahl
von Fluidlieferverteilern und der Ausgestaltung des Filtrierungssystems,
wobei jedoch die Funktion der Wärmeleitung
durch die Oberfläche
und den Körper des
Speicherbehälters
bei allen Konstruktionen ähnlich
funktioniert.
Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung umfassen Verfahren zum Heizen eines Brennstoffzellensystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Bevorzugte Aspekte der vorliegenden Erfindung umfassen
das selbstregulierende Heizen eines Brennstoffzellensystems von Übergangsstartbedingungen
zu stationären
Bedingungen. Das Verfahren umfasst die Schritte, dass ein Speicherbehälter vorgesehen
wird, der ein Wasserstoffabsorptionsmaterial enthält, wie
oben beschrieben ist, wobei das Material einen Gleichgewichtsdruck
gegenüber
dem Verhältnis
von Wasserstoff, der in dem Material eingeschlossen ist, bei einer
gegebenen Temperatur aufweist (d.h. der Gleichgewichtsdruck ist über eine
konstante Temperatur oder eine Isotherme definiert). Es ist bevorzugt,
dass das Material einer reversiblen Reaktion unterliegt, bei der
Wasserstoff exo therm absorbiert wird, wenn ein Außendruck
den Gleichgewichtsdruck bei einer gegebenen Temperatur überschreitet
(Bildung eines Metallhydrids aus einer Metalllegierung). Ein derartiges
bevorzugtes Material unterliegt auch einer endothermen Reaktion,
wenn der Außendruck
kleiner als der Gleichgewichtsdruck bei einer gegebenen Temperatur
ist (Regeneration einer Metalllegierung von dem Metallhydrid). Die
Temperatur des Materials ist abhängig
von der Temperatur des umgebenden Materials wie auch der Reaktionsrate,
die auftritt, wenn Wasserstoff in das Material absorbiert wird.
Das Wasserstoffgas wird in den Speicherbehälter mit einem Druck eingeführt, der
den Gleichgewichtsdruck des Materials bei einer gegebenen Temperatur überschreitet (beispielsweise
Gleichgewichtsdrücken,
die Startbedingungstemperaturen von weniger als 60°C entsprechen).
Das Wasserstoffgas (dessen Druck die Gleichgewichtstemperatur überschreitet)
tritt mit dem Material in Kontakt und reagiert damit, wodurch Wärme erzeugt
wird. Die erzeugte Wärme
wird durch Leitung durch die thermisch leitenden Materialien des
Speicherbehälters
oder durch Konvektion durch umgebende Fluide übertragen, um Wärme von
dem Speicherbehälter
auszutragen, wobei sich bei Startbedingungen die Umgebung außerhalb
des Behälters
auf einer niedrigeren Temperatur als die Temperatur des Speicherbehälters befindet.
Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung umfassen ferner eine Regeneration des Wasserstoffabsorptionsmaterials
durch Freigabe von Wasserstoff von dem Material in gasförmige Form.
Dieser Prozess kann erreicht werden, wenn die Temperatur der umgebenden
Gebiete die Temperatur des Speicherbehälters erreicht oder diese überschreitet.
In diesem Fall überschreitet
der Gleichgewichtsdruck des Materials den Druck der Umgebung und
begünstigt
thermodynamisch die Freigabe des Wasserstoffs von dem Metallhydrid-Wasserstoffspeichermaterial,
um sich in die Metalllegierungsform zu regenerieren.
Das
folgende Beispiel beschreibt die Herstellung eines unabhängigen Heizerelements
mit einem Speicherbehälter
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
BEISPIEL 1
Ein
Speicherbehälter
für ein
Heizplattenelement wird aus Aluminium durch Kaltfließpressen
geformt. Die Dicke der Wände
des Speicherbehälters
beträgt
etwa 8 mm. Der Speicherbehälter
des Heizerelements besetzt bevorzugt dieselbe Abmessung wie ein
entsprechend aktiver Bereich der Brennstoffzelle, der eine Abmessung
von 160 mm × 209
mm besitzt. Die halbkreisförmigen
Nuten werden in dem Inneren von zwei Hälften der Platte ausgebildet
und besitzen einen Durchmesser von 4 mm und sind voneinander um
1 mm beabstandet. Die beiden Hälften
werden durch Hartlöten
miteinander verbunden.
In
der Startphase wird die Wärmeanforderung
des Stapels mit 500 W für
1 Minute berechnet. Somit sollte ein einzelnes Heizerplattenelement
insgesamt 30 kJ Energie liefern. Die Metalllegierung des Wasserstoffabsorptionsmaterials,
die verwendet ist, ist LaNi5, das als HY-Stor
205 oder HYMAC 5 von Ergenics, Aldrich Chemical kommerziell erhältlich ist.
Das LaNi5 besitzt eine ungefähre Dichte
von 5 g/cm3 und eine Wärmebildung von –30,8 kJ/mol
bei 182,4 kPa (1,8 atm) und 25°C.
Das LaNi5 muss 0,974 mol H2 speichern,
was gleich zu 1,95 g H2 (oder 21,67 Litern
H2) ist, um 30 kJ zu erzeugen. Für jeden
Heizelementspeicherbehälter mit
500 W sind etwa 131 g der Wasserstoff absorbierenden Legierung (LaNi5) notwendig. Die Wasserstoffspeicherkapazität für LaNi5 liegt bei etwa 1,49 Gew.-% (oder 3,74 g
Wasserstoff), der in dem Metallhydrid pro Plattenheizer gespeichert
wird. Das Speichervolumen des Heizers erlaubt, dass 250 g an Metallhydridpulver
gespeichert werden. Dies zeigt, dass diese Einheit über 50 %
mehr Legierung enthalten kann, als für eine ideale Unterstützung der
30 kJ erforderlich wäre.
Ein Wasserstoffgas, das in die Anordnung mit einer Rate von 0,016 mol
H2/s (oder 21,52 SLPM) strömt, muss
durch das Metallhydrid absorbiert werden, um eine Energie von 500 W
zu erreichen. Mit der oben berechneten Menge an Metallhydrid und
unter der Annahme, dass die Strömung konstant
ist, beträgt
die Gesamtheizzeit 1,9 Minuten. Somit würde eine Einheit, die aus Aluminium
hergestellt ist, etwa 345 g wiegen. Mit dem Metallhydrid darin beträgt das Gesamtgewicht
etwa 345 g + 250 g = 595 g pro Platte.
Die
vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Heizen eines Brennstoffzellensystems
vor, das einen Start erleichtert und beschleunigt, um stationäre Betriebsbedingungen
zu erreichen. Andere Aspekte der vorliegenden Erfindung sehen weitere
Vorteile dahingehend vor, dass das System in sich geschlossen ist
und unter Verwendung existierender Ausstattung und Reaktanden arbeitet,
wodurch kein zusätzlicher
Energieverbrauch von dem Brennstoffzellensystem erforderlich wird.
Andere bevorzugte Aspekte der vorliegenden Erfindung umfassen eine
selbst regulierte Wärmelieferung,
die auf das umgebende Brennstoffzellensystem anspricht, wodurch
eine gesteigerte Sicherheit wie auch ein gesteigerter Betriebswirkungsgrad
vorgesehen wird. Bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung umfassen Anordnungen, die in den Brennstoffzellenstapel
selbst sowohl als unabhängige
Heizelemente oder kombiniert mit funktionellen Elementen wie auch als
Heizelemente eingebaut werden können,
die unabhängig
an anderer Stelle in dem Brennstoffzellensystem verwendet werden
können.
Die
Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur und
somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen,
als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befindlich anzusehen.
Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichung vom Schutzumfang
der Erfindung zu betrachten.
Zusammenfassung
Ein
Heizelement für
ein Brennstoffzellensystem umfasst einen Körper, der aus einem thermisch
leitenden Material ausgebildet ist. Das Innere des Körpers besitzt
eine Vielzahl von Fluidströmungskanälen, die
darin geformt sind. Ein Wasserstoffabsorptionsmaterial, das Wasserstoff
in einer exothermen Reaktion absorbieren kann, um ein Metallhydrid
in einer reversiblen Reaktion zu bilden, ist in den Kanälen angeordnet.
Eine Leitung sieht eine Fluidverbindung zu und von den Kanälen und
dem Äußeren des
Körpers
vor, der in der Form eines Speicherbehälters vorliegt. Wasserstoff
wird über
die Leitung an die Strömungskanäle geliefert
und von dem Wasserstoffabsorptionsmaterial absorbiert, das Wärme erzeugt,
die durch das thermisch leitende Material an Gebiete übertragen
wird, die den Speicherbehälter
umgeben. Verfahren zum Heizen einer Brennstoffzelle mit einer Vorrichtung,
die Material speichert, das eine exotherme Reaktion ausführen kann,
die Wärme
erzeugt, sind ebenfalls vorgesehen.