DE10103568A1 - Verfahren zur Verbesserung des Wasserhaushalts von Brennstoffzellen - Google Patents

Verfahren zur Verbesserung des Wasserhaushalts von Brennstoffzellen

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Wasserhaushalts eines elektrochemischen Zellenstapels, welcher umfasst: DOLLAR A - eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) aus einer Anode, einer Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten, DOLLAR A - eine Anodengaskammer zur Verteilung des Anodengases an die Membran-Elektroden-Einheit, wobei das Anodengas Wasserstoff enthält sowie un- oder teilbefeuchtet ist, DOLLAR A - eine Kathodengaskammer zur Verteilung des Kathodengases an die Membran-Elektroden-Einheit, wobei das Kathodengas Sauerstoff enthält, DOLLAR A - eine Kühlkammer zur Verteilung eines Kühlmediums zur Kühlung des Zellenstapels, wobei die Kühlkammer und die Kathodengaskammer 3 durch eine poröse Separatorplatte 6 getrennt sind. DOLLAR A Gemäß der Erfindung wird mit einem wässrigen Kühlmedium, welches einen gegenüber Wasser niedrigeren temperaturabhängigen Wasserdampfpartialdruck aufweist, über die zwischen Kathodengaskammer 3 und Kühlkammer 4 angeordnete poröse Separatorplatte 6 ein Wasseraustausch zwischen dem Kathodengas und dem Kühlmedium realisiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Wasserhaushalts von Brennstoffzellen, insbesondere Niederdruck-Brennstoffzellen.
Brennstoffzellen sind elektrochemische Einheiten, die elektrische Energie mittels Umsetzung von chemischer Energie an katalytischen Oberflächen von Elektroden er­ zeugen.
Elektrochemische Zellen dieser Art umfassen folgenden Hauptkomponenten:
  • - eine Kathodenelektrode, an der durch Zugabe von Elektronen die Reduktionsre­ aktion stattfindet. Die Kathode umfasst mindestens eine Elektrodenträgerschicht, die als Träger für den Katalysator dient;
  • - eine Anodenelektrode, an der die Oxidationsreaktion durch Abgabe von Elektro­ nen stattfindet. Die Anode besteht ebenso wie die Kathode aus mindestens einer Trägerschicht und Katalysatorschicht;
  • - mindestens eine Matrix, die zwischen Kathode und Anode angeordnet ist und als Träger für den Elektrolyten dient. Der Elektrolyt kann in fester oder flüssiger Pha­ se sowie als Gel vorliegen. Vorteilhaft wird der Elektrolyt in fester Phase in eine Matrix eingebunden, so dass ein sogenannter Festelektrolyt entsteht;
  • - mindestens eine Separatorplatte, die zwischen den MEAs angeordnet ist und zur Reaktanten- und Oxidantensammlung in elektrochemischen Zellen dient,
  • - Anodengaskammern, die zwischen der anodenseitigen Separatorplatte und der MEA angeordnet und vom Anodengas durchströmt werden,
  • - Kathodengaskammern, die zwischen der kathodenseitigen Separatorplatte und der MEA angeordnet und vom Kathodengas durchströmt werden,
  • - Kühlkammern, welche von einem Kühlmedium durchströmt werden und der Küh­ lung der Zellen dienen,
  • - Dichtelemente, die sowohl eine Vermischung der Fluide in den elektrochemischen Zellen verhindern, als auch ein Austreten der Fluide aus der Zelle zur Umgebung verhindern,
  • - Sammel- und Verteilerkanäle zur Zu- und Abführung der Edukte oder Produkte sowie der Kühlmedien.
Diese drei zuerst aufgeführten Komponenten werden auch als Membran-Elektroden- Einheit (MEA) bezeichnet, wobei auf einer Seite der Matrix die Kathodenelektrode und auf der anderen Seite die Anodenelektrode aufgebracht ist.
Werden Brennstoffzellen aufeinander gestapelt, so entsteht ein Brennstoffzellensta­ pel, im weiteren auch als Stapel bezeichnet. In Fig. 1 ist beispielhaft der Aufbau einer Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Die Anodengaskammer ist dabei durch die Membran-Elektrodeneinheit, umfassend eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten, von der Kathodengaskammer getrennt. Zur Kühlung der Zelle ist eine Kühlkammer vorhanden, die von einem Kühlmedium durchströmt wird.
Die elektrische Stromführung verläuft in einer Reihenschaltung von Zelle zu Zelle. Das Fluid-Management des Oxidanten und Reaktanten erfolgt über Sammel- und Verteilerkanäle zu den einzelnen Zellen in einer Parallelschaltung.
In Brennstoffzellen auf der Basis von Wasserstoff und Sauerstoff erfolgt die Sum­ menreaktion gemäß nachfolgender Gleichung
H2 + ½ O2 → H2O + Prozesswärme + elektrischer Strom.
Überschüssiges Reaktant- und Oxidant-Fluid wird aus den Zellen geführt. Des Weite­ ren muss das Produktwasser zur Aufrechterhaltung der Effizienz der elektrochemi­ schen Reaktion aus der Zelle abgeführt werden. Dabei sollte der Elektrolytzustand nicht negativ beeinflusst werden.
Bei wässrigen Elektrolyten ist der Elektrolytwiderstand stark vom Wassergehalt des Elektrolyten abhängig. Um einen möglichst geringen Spannungsabfall über der Zelle zu erhalten, sollte im Betrieb der Zelle der Elektrolytwiderstand minimiert werden. Um diese Anforderung zu erfüllen, wird eine homogene Abführung des Produktwassers angestrebt.
Üblicherweise erfolgt der Produktwasseraustrag mittels der Wasserdampfbeladung der Reaktionsgase. Bei Übersättigung der Reaktionsgase wird das Flüssigwasser auch mittels des Staudrucks der Reaktionsgase aus den Gaskammern der Zellen gedrückt.
Eine Glättung des Produktwasseraustrags über die Zellfläche wird üblicherweise da­ durch erreicht, dass die trockenen Reaktionsgase vor Eintritt in die Zelle vorbefeuch­ tet werden. Diese Vorbefeuchtung verhindert, dass der Elektrolyt im Gaseintrittsbe­ reich der Zelle austrocknet. Ein Austrocknen des Elektrolyten führt zum Ausfall der Zelle.
Der beispielhafte Aufbau eines Brennstoffzellensystems mit separater Vorbefeuch­ tung der Reaktionsgase ist in Fig. 2 dargestellt. Hierbei wird das Anoden- und das Kathodengas vor Eintritt in die Brennstoffzelle jeweils in einem Befeuchter vorbe­ feuchtet.
Ebenfalls bekannt ist die H2O-Separation über eine an der Kathodenkammer anlie­ gende poröse Schicht. Eine beispielhafte Ausführung ist in Fig. 3 dargestellt. Hierbei sind die Kühlkammer und die Kathodenkammer getrennt durch die poröse Schicht, z. B. eine poröse Separatorplatte benachbart zueinander angeordnet. Die Kühlkam­ mer wird üblicherweise von Wasser durchströmt. Aufgrund der Diffusion durch die po­ röse Separatorplatte erlaubt diese Anordnung zum einen die Befeuchtung des Ka­ thodengases im Zelleintrittsbereich. Zum anderen wird das flüssige Wasser im über­ sättigten Bereich der Zellfläche aus der Kathodengaskammer durch die poröse Schicht transportiert.
Durch diese Anordnung wird teilweise ein Ausgleich der Wasserbeladung über die Zellfläche und damit auch eine Homogenisierung des Wassergehalts im Elektrolyten geschaffen, wobei trotz dieser Maßnahmen eine hohe Wasserdampfpartialdruckdiffe­ renz zwischen Kathodengaseintritt und -austritt vorliegt. Das angestrebte Minimum des Elektrolytwiderstandes wird in solchen Zellen nur in Teilbereichen der Zellfläche erreicht. Auch ist hier eine zusätzliche, separate Anodengasbefeuchtung erforderlich. Das Wasser hierfür wird üblicherweise aus dem Kathodengas gewonnen. Ein Nach­ teil ist, dass diese Ausführung nicht bei Temperaturen unterhalb 0°C ohne Frost­ schutzmassnahmen des Kühlmediums Wasser eingesetzt werden kann. Außerdem muss bei einer Betriebstemperatur oberhalb 65°C zusätzliches Wasser, z. B. aus se­ paraten Wassertanks, dem Kühlkreislauf zugeführt werden, was insbesondere im mobilen Einsatzgebiet unerwünscht ist. Bei Betriebstemperaturen oberhalb 65°C wird dann über die Brennstoffzellenabluft mehr Wasser ausgetragen als durch den Brennstoffzellenprozess erzeugt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu finden, mit dem es ohne gerätetechni­ sche Maßnahmen oder Aufwand möglich ist, für einen weiten Temperaturbereich ei­ nen homogenen Elektrolytzustand über die gesamte Zellfläche der Brennstoffzelle zu erreichen.
Die Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentsanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird mit einem wässrigen Kühlmedium, welches einen gegenüber Wasser niedrigeren temperaturabhängigen Wasserdampfpartialdruck aufweist, über die zwischen Kathodengaskammer und Kühlkammer angeordnete poröse Separa­ torplatte ein Wasseraustausch zwischen dem Kathodengas und dem Kühlmedium realisiert. Im Eintrittsbereich der Brennstoffzelle kommt es aufgrund der Wasser­ dampfpartialdruckdifferenz zwischen dem Kühlmedium in der Kühlkammer und dem trockenen Kathodengas im Kathodengasraum durch die poröse Separatorplatte zu einem Wassertransport vom Kühlmedium in Richtung des Kathodengases. Somit wird das trockene Kathodengas befeuchtet. Im weiteren Zellbereich entsteht in der Kathodengaskammer aufgrund der Brennstoffzellenreaktion Produktwasser, wodurch der Wasserdampfpartialdruck im Kathodengas ansteigt. Überschreitet der Wasser­ dampfpartialdruck des Kathodengases den Wasserdampfpartialdruck des Kühlmedi­ ums, so kommt es durch die poröse Separatorplatte zu einem Wassertransport vom Kathodengas in Richtung des Kühlmediums. Es stellt sich somit über der gesamten Zellfläche ein weitgehend homogener Elektrolytzustand ein. Außerdem wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Befeuchtung und Ent­ feuchtung des Elektrolyten in einer Zellfläche verwirklicht.
Zur weiteren Homogenisierung des Wassergehalts des Elektrolyten kann anodensei­ tig ebenfalls eine poröse Separatorplatte mit oben beschriebener Funktion angeord­ net werden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass auch für Temperaturen oberhalb 65°C ein homogener Elektrolytzustand erreicht werden kann, ohne dass zusätzliche Maßnahmen, z. B. ein Wassertank benötigt werden.
Bei geeigneter Wahl des Kühlmediums ist es möglich, eine ausgeglichene Wasser­ bilanz innerhalb der Zelle zu erreichen. Dabei überwiegt der Massenstrom der Ent­ feuchtung - Produktwasser wird von der Kathodengaskammer in Richtung der Kühl­ kammer transportiert - dem Massenstrom der Befeuchtung - Wasser wird aus der Kühlkammer zur Befeuchtung des Kathodengases in Richtung der Kathodengas­ kammer transportiert. Dadurch kommt es im Kühlmedium zu einem Anstieg des Wassergehalts. Es stellt sich somit für eine bestimmte Betriebstemperatur der Brenn­ stoffzelle ein Gleichgewicht zwischen dem Wasserdampfpartialdruck in dem Katho­ dengas und dem Wasserdampfpartialdruck in dem Kühlmedium ein.
Als Kühlmedium können vorteilhaft anorganische Lösungen, z. B. Pufferlösungen oder organische Lösungen, z. B. Glykole, Glycerin oder Salze organischer Säuren eingesetzt werden. Des weiteren kann das Kühlmedium eine nichtkorrosive wässrige Lösung, Emulsion oder Suspension sein. Diese Lösungen weisen einen niedrigeren temperaturabhängigen Wasserdampfpartialdruck auf als reines Wasser. Dadurch ist ein Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne zusätzliche Frostschutzmaß­ nahmen bei Temperaturen unterhalb 0°C möglich.
In einer vorteilhaften Ausführung kann die dem Kathodengasraum zugewandte Ober­ fläche der Separatorplatte hydrophil und die der Kühlkammer zugewandte Oberfläche hydrophob sein. Dadurch wird verhindert, dass das Kühlmedium durch die Poren der Separatorplatte von der Kühlkammer in den Kathodengasraum gelangt. Außerdem wird erreicht, dass das in dem Kathodengasraum gebildete Produktwasser durch die Poren in die Kühlkammer transportiert werden kann.
Der Wassertransport zwischen der Kühlkammer und der Kathodengaskammer kann aber auch über den Flüssigkeitsspiegel in der porösen Separatorplatte oder durch die Stofftransportweglänge des Wasserdampfes in der porösen Separatorplatte, die durch den Druck innerhalb der Kühlkammer und/oder Kathodengaskammer einge­ stellt werden kann, beeinflusst werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung des Wassertransports zwischen der Kühl­ kammer und der Kathodengaskammer besteht in der Gestaltung des Porendurch­ messers. Dadurch kann das Gleichgewicht zwischen Wasserdampfpartialdruck des Kathodengases und dem Wasserdampfpartialdruck des Kühlmediums eingestellt werden. Die Einstellung des Wasserdampfpartialdruckes in den Poren erfolgt nähe­ rungsweise nach der Gleichung:
mit
Q: Oberflächenspannung
r: Porenradius
pD: Wasserdampfdruck in der Pore
pD: Sättigungsdampfdruck in der Pore
qF: Dichte des Kühlmediums
T: Temperatur des Kühlmediums
RD: spezielle Gaskonstante von Wasserdampf
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist ein Membranseparator mit einer Membran zur Befeuchtung des Anodengases vorhanden. In dem Membranseparator wird entlang der einen Seite der Membran das Kühlmedium und entlang der anderen Seite der Membran das trockene Anodengas geführt. Aufgrund der Wasserdampf­ partialdruckdifferenz zwischen den beiden Medien kommt es zu einem Wassertrans­ port vom Kühlmedium zum Anodengas, wodurch dieses befeuchtet wird. Mittels des Membranseparators wird somit das von dem Kühlmedium innerhalb der Brennstoff­ zelle aufgenommene Produktwasser zur Befeuchtung des Anodengases verwendet. Eine separate Befeuchtung des Anodengases wird somit nicht benötigt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die Kühlkammern des elektrochemischen Zellenstapels, der Membranseparator und eine Dosiervorrichtung zur Dosierung des Kühlmediums in einem Kreislauf für das Kühlmedium geschaltet. Somit wird eine kontinuierliche Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Kühlme­ dium gewährleistet. Die Dosiervorrichtung sorgt vorteilhaft dafür, dass nur ein be­ stimmter Teil des aus dem Brennstoffzellenstapel austretenden Kühlmediums dem Membranseparator zugeführt wird. Dadurch lässt sich die Befeuchtung des trockenen Anodengases definiert einstellen.
Vorteilhaft ist ein weiterer Kreislauf für das Anodengas vorhanden, in den der elektro­ chemische Brennstoffzellenstapel und der Membranseparator geschaltet sind. Somit kann Anodengas, welches in dem Brennstoffzellenstapel nicht verbraucht wurde wie­ derverwendet werden, in dem es vom Brennstoffzellenstapel zum Membranseparator geführt wird.
Es ist aber auch möglich, dass das Anodengas dem Brennstoffzellenstapel in ausrei­ chender Menge zudosiert wird, so dass nach dem Brennstoffzellenstapel kein über­ schüssiges Anodengas anfällt. Somit kann auf eine Rückführung des Anodengases vom Brennstoffzellenstapel zum Membranseparator verzichtet werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindungen werden im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Aufbau einer Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik, wie in der Beschreibungseinleitung erläutert,
Fig. 2 einen Aufbau einer Brennstoffzelle mit poröser Separatorplatte gemäß dem Stand der Technik, wie in der Beschreibungseinleitung erläutert,
Fig. 3 einen Aufbau eines Brennstoffzellensystems mit separater Vorbefeuchtung des Anoden- und Kathodengases gemäß dem Stand der Technik, wie in der Beschreibungseinleitung erläutert,
Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Aufbau eines Brennstoffzellensystems mit einem Membranseparator zur Befeuchtung des Anodengases,
Fig. 5 einen Vergleich der Dampfdruckkurven verschiedener Mischungsverhältnisse einer Glycerin-Wasser-Lösung,
Fig. 6 den Spannungsverlauf einer Brennstoffzelle mit einer Glycerin-Wasser-Lö­ sung als Kühlmedium.
Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Aufbau eines Brennstoffzellensystems. In ei­ nem Kreislauf 7 für das Kühlmedium sind die Kühlkammer 4 des Brennstoffzellensta­ pels 1, ein Dosierventil 10 und ein Wasserseparator 9 (z. B. Membranseparator) zur Wasserabtrennung geschaltet. Der Membranseparator 9 umfasst zwei durch eine Membran 16 getrennte Kammern 17, 18. Die Membran 16 dient dazu, dass das im Kühlmedium enthaltene Wasser von der Kammer 17 in die Kammer 18 gelangen kann. Dadurch wird eine Befeuchtung des die Kammer 18 durchströmenden Ano­ dengases erreicht.
Das Dosierventil 10 ist zwischen dem Brennstoffzellenstapel 1 und dem Membranse­ parator 9 geschaltet. Das Kühlmedium gelangt somit nach Durchströmen der Kühl­ kammer 4 des Brennstoffzellenstapels 1 durch das Dosierventil 10 in die Kammer 17 des Membranseparators 9, wo das im Kühlmedium enthaltene Wasser abgetrennt wird.
Dem Membranseparator 9 ist stromabwärts vorteilhaft ein Ausgleichsgefäß 11 nach­ geschaltet. Dieses Ausgleichsgefäß 11 dient dazu, Volumenschwankungen des Kühlmediums, hervorgerufen durch den temperaturabhängig (Betriebstemperatur der Brennstoffzelle) variierenden Wasseranteil, auszugleichen.
Zwischen dem Dosierventil 10 und dem Ausgleichgefäß 11 ist eine Verbindung 12 ausgeführt, so dass es möglich ist, nur einen Teilstrom des aus dem Brennstoffzel­ lenstapel 1 austretenden Kühlmediums in den Membranseparator 9 zu leiten.
Ein vor den Brennstoffzellenstapel 1 geschalteter Wärmetauscher 14 sorgt dafür, dass das Kühlmedium auf die entsprechende Betriebstemperatur des Brennstoffzel­ lenstapels 1 gebracht wird. Mittels einer in den Kreislauf 7 geschalteten Pumpe 13 wird das Kühlmedium vom Membranseparator 9 durch den Wärmetauscher 14 in die Kühlkammer 4 des Brennstoffzellenstapels 1 transportiert. In dem Brennstoffzellen­ stapel 1 ist die Kühlkammer 4 von der Kathodengaskammer 3 mittels einer porösen Separatorplatte 6 getrennt, wodurch ein Wasseraustausch zwischen den Kammern erreicht wird.
Die Anodengaskammer 2 des Brennstoffzellenstapels 1 und die Kammer 18 des Membranseparators 9 sind in einen weiteren Kreislauf 8 geschaltet. Die Kammer 18 des Membranseparators 9 ist dabei vor - in Strömungsrichtung des Anodengases ge­ sehen - der Anodengaskammer 2 des Brennstoffzellenstapels 1 angeordnet. Somit ist es möglich, dass unverbrauchtes Anodengas aus dem Brennstoffzellenstapel 1 wiederverwendet werden kann. Eine vor den Membranseparator 9 geschaltete Do­ siervorrichtung 15 (z. B. Treibstrahlpumpe) ermöglicht die Zugabe von frischem, un­ verbrachtem Anodengas in den Kreislauf 8. In vorteilhaften Ausführungen in denen das Anodengas nicht vollständig in der Brennstoffzelle verbraucht wird, kann die Rückführung des Anodengases mittels des Kreislaufs 8 entfallen.
Die Strömungsführung der Fluide in der Brennstoffzelle kann weitgehend beliebig gewählt werden. Eine beispielhafte Strömungsführung ist in Fig. 4 dargestellt. Hierbei strömt das Kathodengas im Gegenstrom zu dem Anodengas und im Gleichstrom zu dem Kühlmedium.
In Fig. 5 sind die Dampfdruckkurven für verschiedene Mischungsverhältnisse einer Glycerin-Wasser-Lösung dargestellt. Dabei ist der Dampfdruck über der Temperatur aufgetragen. Mit zunehmender Glycerin-Konzentration nimmt der Dampfdruck der Lösung ab. Bei einer Temperatur von 80°C beträgt der Dampfdruck für reines Wasser ca. 474 mbar. Bei einer Glycerin-Konzentration von 60% sinkt der Dampfdruck auf ca. 370 mbar. Eine Glycerin-Wasser-Lösung mit einer Glycerin-Konzentration von 90% weist einen Dampfdruck von ca. 130 mbar auf. Eine größere Konzentration von Glycerin in der Glycerin-Wasser-Lösung bewirkt eine Absenkung des Gefrierpunktes der Lösung. So beträgt der Gefrierpunkt einer Glycerin-Wasser-Lösung mit einer Gly­ cerin-Konzentration von 63% ca. -40°C. Eine solche Lösung ist somit ohne zusätzli­ che Frostschutzmassnahmen als Kühlmedium in dem erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbar.
Der Spannungsverlauf einer Brennstoffzelle ist in Fig. 6 dargestellt. Hierbei ist ein Langzeitversuch dargestellt, bei dem die Zellspannung über der Messzeit aufgetra­ gen ist. Der Versuch wurde bei einer Zellentemperatur von 70°C und einer Strom­ dichte von 0,5 A/cm2 durchgeführt. Die linke Kurve in dem Diagramm zeigt den Ver­ lauf der Zellspannung, wobei als Kühlmedium reines Wasser verwendet wurde. Die Zellspannung fällt dabei mit 0,4 mV/h ab, des weiteren ist eine große Schwankungs­ breite der Zellspannung zu erkennen.
Die mittlere Kurve in dem Diagramm zeigt den Spannungsverlauf einer Brennstoff­ zelle bei der als Kühlmedium eine Glycerin-Wasser-Lösung mit einer Glycerin- Konzentration von 60% verwendet wurde. Die Spannungsschwankungen im Zeitver­ lauf sind bei diesem Experiment deutlich reduziert wurden. Dies ist darauf zurückzu­ führen, dass ein über die gesamte Zellfläche homogener Elektrolytzustand geschaf­ fen wurde. Außerdem ist mit einem Abfall der Zellenspannung von 0,2 mV/h ein ge­ ringerer Abfall der Zellenspannung zu beobachten als bei dem Experiment mit reinem Wasser als Kühlmedium.
Die rechte Kurve zeigt wiederum den Spannungsverlauf der Brennstoffzelle bei der als Kühlmedium reines Wasser verwendet wurde. Hier ist wiederum eine große Schwankungsbreite der Zellenspannung sowie ein stärkerer Spannungsabfall von 0,4 mV/h zu beobachten.

Claims (10)

1. Verfahren zur Verbesserung des Wasserhaushalts eines elektrochemischen Zellenstapels, welcher umfasst:
eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) aus einer Anode, einer Kathode und einem dazwischen angeordneten Elektrolyten,
eine Anodengaskammer zur Verteilung eines Anodengases an die Memb­ ran-Elektroden-Einheit, wobei das Anodengas Wasserstoff enthält sowie un- oder teilbefeuchtet ist,
eine Kathodengaskammer (3) zur Verteilung eines Kathodengases an die Membran-Elektroden-Einheit, wobei das Kathodengas Sauerstoff enthält,
eine Kühlkammer zur Verteilung eines Kühlmediums zur Kühlung des Zel­ lenstapels, wobei die Kühlkammer und die Kathodengaskammer (3) durch eine poröse Separatorplatte (6) getrennt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass mit einem wässrigen Kühlmedium, welches ei­ nen gegenüber Wasser niedrigeren temperaturabhängigen Wasserdampfparti­ aldruck aufweist, über die zwischen Kathodengaskammer (3) und Kühlkammer (4) angeordnete poröse Separatorplatte (6) ein Wasseraustausch zwischen dem Kathodengas und dem Kühlmedium realisiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen Ka­ thodengaskammer (3) und Kühlkammer (4) angeordnete poröse Separatorplatte (6) kathodenseitig eine hydrophile Oberfläche und eine der Kühlkammer zuge­ wandte hydrophobe Oberfläche aufweist.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass als Kühlmedium anorganische Lösungen wie Pufferlösungen oder or­ ganische Lösungen wie Glykole oder Salze organischer Säuren verwendet wer­ den.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass mittels des Durchmessers der Poren der porösen Separatorplatte (6) der Wasseraustausch zwischen der Kathodengaskammer und der Kühlkammer eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass der Wasseraustausch zwischen der Kathodengaskammer und der Kühlkammer durch den Druck innerhalb der Kathodengaskammer und/oder Kühlkammer eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass zur Dosierung des Kühlmediums eine Dosiervorrichtung (10) vorhan­ den ist.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass ein Wasserseparator (9) zur Befeuchtung des Anodengases vorhan­ den ist.
8. Verfahren nach einem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Was­ serseparator (9) als Membranseparator ausgebildet ist, wobei entlang der einen Seite der Membran (16) das Kühlmedium und entlang der anderen Seite der Membran das trockene Anodengas geführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kreis­ lauf (8) für das Anodengas vorhanden ist, in den der elektrochemische Zellen­ stapel (1) und der Membranseparator (9) zur Befeuchtung des Anodengases geschaltet sind.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kreis­ lauf (7) für das Kühlmedium vorhanden ist, in den die Kühlkammer (4) des elekt­ rochemischen Zellenstapels (1), der Membranseparator (9) und die Dosier­ vorrichtung (10) zur Dosierung des Kühlmediums zum Membranseparator (9) geschaltet sind.
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