Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie, enthaltend eine Brennstoffzelle, eine Trockeneinrichtung, eine Befeuch tungseinrichtung und erste Leitungen, um ein Oxyda tionsmittel an die Befeuchtungseinrichtung, das befeuch tete Oxydationsmittel an die Brennstoffzelle, überschüs siges Oxydationsmittel zusammen mit Reaktionsproduk ten der Zelle an die Trockeneinrichtung und kondensier te Reaktionsprodukte an die Befeuchtungseinrichtung bzw.
das überschüssige Oxydationsmittel und nicht kondensierte Reaktionsprodukte an die Umgebung ab zuleiten, zweite Leitungen, um ein Kühlmittel an die Trockeneinrichtung und von dieser an die Brennstoffzel le und eine weitere Leitung, um einen Brennstoff an die Brennstoffzelle zu leiten.
Die Erfindung soll nun mit Hilfe der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt das Schema einer bevorzugten Ausfüh rungsform einer Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie nach der Erfindung, Fig. 2 zeigt eine Befeuchtungseinrichtung für die Vorrichtung nach Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine Trockeneinrichtung für die Vorrich tung nach Fig. 1.
Fig. 4 zeigt eine als Verteiler für das Fluid in der Brennstoffzelle, in der Befeuchtungs- und in der Trok- keneinrichtung verwendbare Baugruppe.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 400 zum Erzeu gen elektrischer Energie enthält eine Brennstoffzelle 401, eine Trockeneinrichtung 402 und eine Befeuch tungseinrichtung 403, die durch Leitungen miteinander verbunden sind. Als Brennstoffzelle 401 kann irgendeine der bekannten Ausführungsformen, die Leitungen für die Versorgung mit Brennstoff, Oxydationsmittel und Kühlmittel aufweisen, verwendet werden.
Die in Fig. 2 gezeigte Befeuchtungseinrichtung 300 enthält ein Gehäuse 301, dessen Innenraum durch flüssigkeitsdurchlässige Trennwände 304 in mehrere Teilräume unterteilt ist. Jeder Trennwand ist eine Kanäle bildende Baugruppe 305 benachbart angeordnet, die im Detail anhand der Figur 4 weiter hinten näher erläutert ist. Die der Trennwand abgewandte Fläche der Baugruppe ist mit einer undurchlässigen Platte 306 abgedeckt oder liegt direkt an der Gehäusewand an.
Weiter sind Leitungen 307 vorgesehen, durch die Was ser oder irgendeine andere Flüssigkeit mit nennenswer tem Dampfdruck bei Arbeitsbedingungen in die Teilräu me eingeführt und Leitungen 302, 303 durch die ein zu befeuchtendes Fluid ebenfalls in die Teilräume ein- bzw. aus diesen abgeleitet werden kann.
Die in Fig. 3 gezeigte Trockeneinrichtung 200 weist ein aus zwei Teilen 201 und 202 bestehendes, durch eine Verschraubung 203 zusammengehaltenes Gehäuse auf. Jeder Gehäuseteil enthält eine Einlassleitung 204, 205 durch die eine Flüssigkeit oder ein, eine Flüssigkeit enthaltendes Gas in die Einrichtung eingeführt werden kann. Der Gehäuseteil 203 ist weiter mit einer Auslass- leitung 206 und der Gehäuseteil 201 mit zwei Auslass- leitungen 207 und 208 versehen. Das Gehäuse bildet eine Kammer, in deren Mitte eine Trennschicht 209 angeordnet ist, auf deren beiden Oberflächen flüssig keitsdurchlässige Zwischenwände 210 befestigt sind.
An jeder Zwischenwand liegt eine Baugruppe 211 bzw. 212 an, die den Raum zwischen der Zwischenwand und der inneren Gehäusewand ausfüllt. Eine solche Baugruppe ist im einzelnen anhand der Figur 4 weiter hinten näher erläutert.
Beim Betrieb wird in die Trockeneinrichtung 200 durch die Leitung 204 warme, feuchte Luft und durch Leitung 205 kalte, trockene Luft eingeleitet. Wenn die warme, feuchte Luft in die Einrichtung 200 eintritt, strömt sie in der Baugruppe 211 zuerst in der Richtung der Pfeile 213 und wird dann, wie noch näher beschrie ben werden wird, auf die anliegende Zwischenwand 210 geleitet, was durch die Pfeile 215 angedeutet ist. Die kalte trockene Luft strömt zuerst in der Baugruppe 212 in der Richtung der Pfeile 214 nach oben und wird dann auf die anliegende Zwischenwand 210 geleitet was durch die Pfeile 216 angedeutet ist. Die kalte, trockene Luft kann dann in die durchlässige Zwischenwand und in einen Teil der Trennschicht 209 eindringen.
Wegen der in der Einrichtung vorhandenen Tempe raturdifferenz kondensiert ein Teil des Wasserdampfes aus dem Warmluftstrom in der Trennschicht 209 und auf der durchlässigen rechten Zwischenwand 210. We gen der Temperatur- und der Feuchtigkeitsdifferenz nimmt der Kaltluftstrom nach dem Eindringen in die Trennschicht 209 einen Teil des kondensierten Wasser dampfes auf. Dabei ist es möglich, dass mehr Wasser dampf aus dem feuchten Luftstrom kondensiert, als in den trockenen Luftstrom hineindiffundieren kann. In diesem Falle fliesst das überschüssige Wasser zum unteren Teil des Gehäuses und wird durch die Leitung 208 abgeführt.
Die warme, feuchte Luft weist beim Austreten durch die Leitung 207 eine geringere Tempe ratur und weniger Feuchtigkeit als beim Eintreten in die Einrichtung auf und umgekehrt weist die kalte, trockene Luft beim Austreten eine höhere Temperatur und Feuchtigkeit als beim Eintritt auf. Natürlich kann die wechselseitige Befeuchtung und Trocknung auch statt finden, ohne dass eine Temperaturdifferenz zwischen den getrennten Luftströmen vorhanden ist.
Es ist auch möglich, anstelle der durchlässigen Trennschicht 209 eine undurchlässige Trennschicht zu verwenden. Dann bewirkt die Einrichtung nur das Trocknen des feuchten Luftstroms ohne den trockenen Luftstrom zu befeuchten.
Die in Fig. 3 gezeigte Einrichtung kann aber nicht nur zum direkten oder indirekten Trocknen, sondern auch als Brennstoffzelle verwendet werden. Dazu ist es nur notwendig die Gehäuseteile 201 und 202 entweder elektrisch voneinander zu isolieren oder aus elektrisch nichtleitendem Material herzustellen und als Trenn schicht 209 einen festen oder flüssigen Elektrolyt zu verwenden. Die Zwischenwände 210, die die Oberflä chen der Trennschicht berühren enthalten dann vorzugs weise ein katalytisch wirksames Material. Wenn dann durch die Leitungen 204 und 205 ein Brennstoff bzw. ein Oxydationsmittel zugeführt werden, kann die Ein richtung zum Erzeugen elektrischer Energie verwendet werden.
Die Trockeneinrichtung 200 arbeitet mit der gezeig ten Anordnung ihrer Bauteile im Gegenstrom. Durch die einfache Massnahme einer relativen Drehung der Ge häuseteile 201 und 202 gegeneinander kann aber auch im Kreuzstrom oder im Gleichstrom gearbeitet wer den.
In Fig. 4 ist eine sowohl in der Befeuchtungs- als auch in der Trockeneinrichtung als Verteiler 305 (Fig. 2) bzw. 211, 212 (Fig.3) für das entsprechende Fluid verwendbare Baugrippe gezeigt. Die Baugruppe enthält eine Platte 108, oder wirkt mit einer anliegenden Platte beispielsweise der Trennwand 304 (Fig. 2) oder einer Zwischenwand 210 (Fig. 3), welche als Überträger eines fliessfähigen Materials oder Wärme oder beider verwen det wird, zusammen. Die Baugruppe enthält weiter ein gewelltes perforiertes Blech oder ein aus perforiertem Material zusammengesetztes Bauteil 141. Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Bauteil eine Mehrzahl von in einer Ebene liegenden ersten Teilen 142 und eine Mehrzahl von in einer anderen Ebene liegenden zweiten Teilen 143.
Die ersten und zweiten Teile sind durch geneigte ebene Teile 144 miteinander verbunden. Ein erster Teil 142 bildet zusammen mit den beiden benachbarten geneigten Teilen 144 einen nach oben geöffneten Kanal 150, während ein zweiter Teil 143 zusammen mit den beiden anliegenden geneigten Teilen einen nach unten geöffneten Kanal 152 bildet. Die geneigten Teile 144 sind gegenüber der Horizonta len um einen Winkel, der zwischen 20 und 87 und vorzugsweise 45 beträgt, geneigt.
Auf dem Bauteil 141 ist eine nicht perforierte Platte 1.1.3 befestigt, die bei der Befeuchtungseinrichtung nach Fig. 2 der Platte 306 entspricht und bei der Trockenein richtung nach Fig. 3 durch die Gehäuseteile 201, 202 gebildet ist, so dass die Platte 108 die nach unten offenen und die Platte 113, die nach oben offenen Kanäle (152 bzw. 150) abdeckt. Bei der gezeigten Ausführungsform sind ausserdem alle nach unten offe nen Kanäle 152 an einer Stirnseite durch Abschlussplat- ten <B>157</B> und alle nach oben offenen Kanäle 150 an der entgegengesetzten Stirnseite durch Abschlussplatten 155 verschlossen.
Bei der Verwendung der Baugruppe zum Verteilen eines Fluid wird dieses durch einen nicht abgeschlosse nen, nach oben offenen Kanal, wie es durch den Pfeil 33 angedeutet ist, in die Baugruppe eingeleitet. Das Fluid kann die gesamte Länge des Kanals durchfliessen, ohne dabei einen bemerkenswerten Druckabfall zu erleiden, kann aber wegen der den Kanal am gegenüberliegenden Ende verschliessenden Abschlussplatte 155 nicht durch den Kanal hindurchfliessen.
Da der Druck des Fluid über der gesamten Länge des Kanals gleichmässig ist, wird das Fluid die perforier ten geneigten Teile, die die Seiten des Kanals bilden, gleichmässig durchdringen. Da der Stoffaustausch zwi schen dem Fluid und der Platte 108 bei den nach oben offenen Kanälen nur durch den perforierten Teil 142, der die Grundfläche der nach oben offenen Kanäle bildet, erfolgen kann, sind die wichtigeren Orte für die Übertragung von Masse und/oder Energie die nach unten offenen Kanäle 152.
Wenn das Fluid die geneigten Teile des Einlasska- nals durchdringt, wird es in einem spitzen Winkel nach unten auf die Platte 108 geleitet. Die vorzugsweise düsenförmig ausgebildeten Perforationen in dem geneig ten Teilen verwandeln dabei den Druck des Fluid in Geschwindigkeit, so dass dieses, wie es durch den geknickten Pfeil 128 angedeutet ist, auf die Oberfläche der Platte 108 auftrifft. Das Fluid wird dann aus den nach unten offenen Kanälen 152 durch die gegenüberlie genden, geneigten, perforierten Teile wieder abgeführt.
Dazu sind die nach unten offenen Kanäle an jeder Stirnseite durch Abschlussplatten 157 verschlossen, so dass der Durchfluss durch diese Kanäle nur durch die seitlichen geneigten Teile möglich ist. Es sei bemerkt, dass die Abmessungen der Kanäle unabhängig von der Ausdehnung der Platte 108 gewählt werden können. Dagegen kann durch die Wahl der Abmessungen der Kanäle die Dauer der Berührung des Fluid mit der Platte 108 beeinflusst werden. Das Fluid tritt dann durch einen der nach oben offenen Kanäle aus der Baugruppe aus, wie es durch den Pfeil 35 angedetet ist.
Zum Betrieb der Vorrichtung 400 wird durch die Leitung 404 ein Oxydationsmittel, vorzugsweise Sauer stoff, an die Befeuchtungseinrichtung 403, und das aus der Befeuchtungseinrichtung 403 austretende befeuchte- te Oxydationsmittel durch die Leitung :105 an die Brennstoffzelle 401 geleitet. Das Oxydationsmittel wird befeuchtet um ein zu starkes Austrocknen des Elektroly ten in der Brennstoffzelle zu verhindern. Ein Teil des Oxydationsmittels wird in der Brennstoffzelle chemisch reagieren, während der Regt verwendet wird, um die auf der Oxydationsmittelseite der Brennstoffzelle gebildeten Reaktionsprodukte abzuführen. Wenn das Reaktions produkt Wasser ist, kann ein Teil des Wassers zum Befeuchten des ankommenden Oxydationsmittels zu rückgewonnen werden.
Darum werden das überschüssi ge Oxydationsmittel und ein Teil der Reaktionsprodukte durch die Leitung 4.06 aus der Brennstoffzelle in die Trockeneinrichtung 402 geleitet.
Der Trockeneinrichtung =102 wird durch die Leitung 407 ein Kühlmittel zugeführt. Infolge des Wärmeaus tauschs zwischen der Mischung aus überschüssigem oxydationsmittel und den Reaktionsprodukten einerseits und dem Kühlmittel andererseits kondensiert mindestens ein Teil der Reaktionsprodukte. Der kondensierte Teil der Reaktionsproduktes wird dann durch die Leitung 408 an die Befeuchtungseinrichtung 403 geleitet. Der Rest des Oxydationsmittels und die nichtkondensierten Reaktionsprodukte werden durch die Leitung 409 aus der Trockeneinrichtung entfernt.
Das Kühlmittel wird weiter von der Trockeneinrich tung 402 durch die Leitung 410 zur Brennstoffzelle geleitet und aus dieser durch die Leitung 411 entfernt. Ausserdem wird der Brennstoffzelle durch die Leitung 412 ein Brennstoff zu- und der unverbrauchte Brenn stoff durch die Leitung =113 wieder abgeleitet.
Die die elektrische Energie erzeugende Vorrichtung 400 arbeitet vorzugsweise mit solchen Brennstoffen und Oxydationsmitteln, deren Reaktionsprodukt Wasser ist. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Trok- keneinrichtung .102 und die Befeuchtungseinrichtung 403 thermisch isoliert und arbeiten adiabatisch und sind auf diese Weise unabhängig von der Umgebungstempe ratur. Die relativen Anordnungen der Leitungen, die die Fluids zur Brennstoffzelle, der Trocken- und der Be feuchtungseinrichtung zu- bzw. aus diesen ableiten, sind für die Funktion der gezeigten Vorrichtung ohne Ein- fluss.