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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und insbesondere einen Membranbefeuchter
für eine
Brennstoffzelle.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellensysteme
werden zunehmend bei einer breiten Vielzahl von Anwendungen als
eine Energiequelle verwendet. Brennstoffzellensysteme sind zur Verwendung
in Energieverbrauchern, wie beispielsweise Fahrzeugen als ein Ersatz
für Verbrennungsmotoren
vorgeschlagen worden. Ein derartiges System ist in der gemeinsam übertragenen
U.S. Patentanmeldung Seriennr. 10/418,536 offenbart,
die hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
Brennstoffzellen können
auch als stationäre
Kraftwerke für elektrische
Energie in Gebäuden
und Wohnungen, als tragbare Energie in Videokameras, Computern und
dergleichen verwendet werden. Typischerweise erzeugen die Brennstoffzellen
Elektrizität,
die dazu verwendet wird, Batterien zu laden oder Energie für einen
Elektromotor bereitzustellen.
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Brennstoffzellen
sind elektrochemische Vorrichtungen, die einen Brennstoff, wie Wasserstoff,
und ein Oxidationsmittel, wie Sauerstoff, direkt kombinieren, um
Elektrizität
zu erzeugen. Der Sauerstoff wird typischerweise durch einen Luftstrom
geliefert. Der Wasserstoff und der Sauerstoff werden kombiniert,
was in der Bildung von Wasser resultiert. Es können andere Brennstoffe verwendet
werden, wie beispielsweise Erdgas, Methanol, Benzin und von Kohle
abgeleitete synthetische Kraftstoffe.
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Ein
Grundprozess, der von einer Brennstoffzelle verwendet wird, ist
effizient, im Wesentlichen verschmutzungsfrei, leise, frei von sich
bewegenden Teilen (anders als ein Luftkompressor, Kühlgebläse, Pumpen und
Aktuatoren) und kann so ausgebildet sein, dass nur Wärme und
Wasser als Nebenprodukte zurückbleiben.
Der Begriff "Brennstoffzelle" wird typischerweise
dazu verwendet, entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl
von Zellen abhängig
von dem Kontext, in dem er verwendet wird, zu bezeichnen. Die Vielzahl
von Zellen werden typischerweise miteinander gebündelt und angeordnet, um einen
Stapel zu bilden, wobei die Vielzahl von Zellen üblicherweise in elektrischer
Reihe angeordnet sind. Da einzelne Brennstoffzellen in Stapel mit variierenden
Größen zusammengebaut
werden können,
können
Systeme entwickelt werden, um ein gewünschtes Energieabgabeniveau
zu erzeugen, was eine Flexibilität
bei der Konstruktion für
verschiedene Anwendungen vorsieht.
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Es
können
verschiedene Brennstoffzellentypen vorgesehen werden, wie beispielsweise
Phosphorsäure-,
Alkali-, Schmelzcarbonat-, Festoxid- und Protonenaustauschmembran-(PEM)-Typen.
Die Grundkomponenten einer Brennstoffzelle vom PEM-Typ sind zwei
Elektroden, die durch einen Polymermembranelektrolyt getrennt sind.
Jede Elektrode ist auf einer Seite mit einer dünnen Katalysatorschicht beschichtet.
Die Elektroden, der Katalysator und die Membran bilden gemeinsam
eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
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In
einer typischen Brennstoffzelle vom PEM-Typ ist die MEA schichtartig
zwischen "Anoden"- und "Kathoden"-Diffusionsmedien
(nachfolgend "DM's") oder Diffusionsschichten angeordnet,
die aus einem nachgiebigen, leitenden und gaspermeablen Material
ausgebildet sind, wie Kohlenstoffgewebe oder -papier. Die DM's dienen als die
Primärstromkollektoren
für die
Anode und die Kathode und sehen auch eine mechanische Abstützung für die MEA
vor. Alternativ dazu kann das DM die Katalysatorschicht enthalten
und in Kontakt mit der Membran stehen. Die DM's und die MEA werden zwischen einem
Paar elektrisch leitender Platten gepresst, die als Sekundärstromkollektoren
zum Sammeln des Stroms von den Primärstromkollektoren dienen. Die
Platten leiten Strom zwischen benachbarten Zellen innerhalb des
Stapels in dem Fall von Bipolarplatten und leiten Strom außerhalb
des Stapels (in dem Fall von Monopolarplatten an dem Ende des Stapels).
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Die
Sekundärstromkollektorplatten
enthalten jeweils zumindest ein aktives Gebiet, das die gasförmigen Reaktanden über die
Hauptseiten der Anode und die Kathode verteilt. Diese aktiven Gebiete,
die als Strömungsfelder
bekannt sind, weisen typischerweise eine Vielzahl von Stegen auf,
die mit dem Primärstromkollektor
in Eingriff stehen und eine Vielzahl von Nuten oder Strömungskanalen
dazwischen definieren. Die Kanäle
liefern den Wasserstoff und den Sauerstoff an die Elektroden auf
jeder Seite der PEM. Insbesondere strömt der Wasserstoff durch die
Kanäle
an die Anode, an der der Katalysator eine Trennung in Protonen und Elektronen
unterstützt.
Auf der gegenüberliegenden
Seite der PEM strömt
der Sauerstoff durch die Kanäle
an die Kathode, an der der Sauerstoff die Wasserstoffprotonen durch
die PEM anzieht. Die Elektronen werden als nützliche Energie durch eine
externe Schaltung abgefangen und mit den Protonen und Sauerstoff
kombiniert, um Wasserdampf an der Kathodenseite zu erzeugen.
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Viele
Brennstoffzellen verwenden interne Membrane, wie die Brennstoffzelle
vom PEM-Typ, die Protonenaustauschmembrane aufweist, die auch als Polymerelektrolytmembrane
bezeichnet werden. Um in einem gewünschten Wirkungsgradbereich
zu arbeiten, ist es erwünscht,
die Membrane in einem feuchten Zustand zu halten. Daher ist es notwendig,
ein Mittel vorzusehen, um die Brennstoffzellenmembrane in dem feuchten
Zustand zu halten. Dies hilft Schaden oder eine verkürzte Lebensdauer
der Membrane zu vermeiden, wie auch den gewünschten Betriebswirkungsgrad
aufrechtzuerhalten. Beispielsweise führt ein geringerer Wassergehalt
der Membran zu einem höheren
Protonenleitungswiderstand, was in einem höheren ohmschen Spannungsverlust
resultiert. Die Befeuchtung der Zufuhrgase, insbesondere des Kathodeneinlasses,
ist erwünscht,
um einen ausreichenden Wassergehalt in der Membran, insbesondere
in dem Einlassgebiet aufrechtzuerhalten. Eine Befeuchtung in einer
Brennstoffzelle ist beschrieben in der in Gemeinschaftsbesitz befindlichen
U.S. Patentanmeldung Seriennr. 10/797,671 von
Goebel et al; der in Gemeinschaftsbesitz befindlichen
U.S. Patentanmeldung Seriennr. 10/912,298 von
Sennoun et al.; und der in Gemeinschaftsbesitz befindlichen
U.S. Patentanmeldung Seriennr. 11/087,911 von
Forte, von denen jede derselben hierdurch in ihrer Gesamtheit durch
Bezugnahme hier eingeschlossen ist.
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Um
ein gewünschtes
Feuchtigkeitsniveau beizubehalten, wird häufig ein Luftbefeuchter verwendet, um
den in der Brennstoffzelle verwendeten Luftstrom zu befeuchten.
Der Luftbefeuchter besteht normalerweise aus einem Luftbefeuchtungsmodul
vom runden oder kastenförmigen
Typ, das in einem Gehäuse
des Luftbefeuchters angebracht ist. Beispiele dieses Typs von Luftbefeuchter
sind gezeigt und beschrieben in der
U.S. Patentanmeldung
Seriennr. 10/516,483 von Tanihara et al., die hierdurch
in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hier eingeschlossen ist, und
dem
U.S. Patent Nr. 6,471,195 ,
die hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
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Membranbefeuchter
sind auch dazu verwendet worden, um Brennstoffzellenbefeuchtungsanforderungen
zu erfüllen.
Für die
Brennstoffzellenbefeuchtungsanwendung in Kraftfahrzeugen muss ein
solcher Membranbefeuchter kompakt sein, einen niedrigen Druckabfall
aufweisen und Hochleistungscharakteristiken besitzen.
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Die
Auslegung eines Membranbefeuchters erfordert einen Ausgleich von
Massentransportwiderstand und Druckabfall. Für einen Transport von einer
feuchten Seite zu einer trockenen Seite durch eine Membran müssen Wassermoleküle eine
Kombination der folgenden Widerstände überwinden: einen Konvektionsmassentransportwiderstand
in den feuchten und trockenen Strömungskanälen; einen Diffusionstransportwiderstand
durch die Membran; und einen Diffusionstransportwiderstand durch
das Membranträgermaterial.
Kompakte Membranbefeuchter mit hoher Leistungsfähigkeit erfordern typischerweise
Membranmaterialien mit einer hohen Wassertransportrate (d.h. GPU
im Bereich von 10000–12000).
Die GPU oder "gas
permeation unit" oder
Gaspermeationseinheit ist ein partialdrucknormalisierter Fluss,
wobei 1 GPU = 10–6 cm3 (STP)
/ (cm2 s cm Hg). Folglich steht eine Minimierung
des Transportwiderstandes in den feuchten und trockenen Strömungskanälen und
dem Membranträgermaterial
bei der Konstruktion im Mittelpunkt.
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Es
wäre erwünscht, einen
Membranbefeuchter für
eine Brennstoffzelle zu erzeugen, bei dem ein Massentransportwiderstand
und ein Druckabfall minimiert sind.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Konsistent
und in Einklang mit der vorliegenden Erfindung ist überraschend
ein Membranbefeuchter für
eine Brennstoffzelle, bei dem ein Massentransportwiderstand und
ein Druckabfall minimiert sind, entdeckt worden.
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Bei
einer Ausführungsform
umfasst der Membranbefeuchter für
eine Brennstoffzelle eine im Wesentlichen Planare erste Platte,
die zumindest einen darin geformten, im Wesentlichen linearen Strömungskanal aufweist,
wobei der Strömungskanal
der ersten Platte derart ausgebildet ist, um eine Strömung eines
ersten Gases hindurch zu erleichtern; eine im Wesentlichen Planare
zweite Platte, die zumindest einen darin geformten, im Wesentlichen
linearen Strömungskanal
aufweist, wobei der Strömungskanal
der zweiten Platte derart ausgebildet ist, um eine Strömung eines
zweiten Gases hindurch zu erleichtern, wobei der Strömungskanal der
ersten Platte im Wesentlichen rechtwinklig zu dem Strömungskanal
der zweiten Platte angeordnet ist; ein Diffusionsmedium, das zwischen
der ersten Platte und der zweiten Platte angeordnet ist, wobei das
Diffusionsmedium derart ausgebildet ist, um eine Übertragung
von Wasserdampf hindurch zuzulassen; und eine Membran, die zwischen
der ersten Platte und der zweiten Platte angeordnet ist, wobei die
Membran derart ausgebildet ist, um eine Übertragung von Wasserdampf
hindurch zuzulassen, wobei Wasserdampf in dem ersten Gas durch das
Diffusionsmedium und die Membran an das zweite Gas übertragen
wird.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
umfasst der Membranbefeuchter für
eine Brennstoffzelle eine Platte einer feuchten Seite mit einer
Vielzahl von darin geformten Strömungskanälen, wobei
die Strömungskanäle der Platte der
feuchten Seite derart ausgebildet sind, um eine Strömung eines
feuchten Gases hindurch zu erleichtern; eine Platte einer trockenen
Seite mit einer Vielzahl von darin geformten Strömungskanälen, wobei die Strömungskanäle der Platte
der trockenen Seite derart ausgebildet sind, um eine Strömung eines
trockenen Gases hindurch zu erleichtern, wobei die Strömungskanäle der Platte
der feuchten Seite ein Kreuzstrommuster mit den Strömungskanälen der
Platte der trockenen Seite erzeugen; ein erstes Diffusionsmedium,
das zwischen der Platte der feuchten Seite und der Platte der trockenen
Seite benachbart der Platte der feuchten Seite angeordnet ist, wobei
das erste Diffusionsmedium derart ausgebildet ist, um eine Übertragung von
Wasserdampf hindurch zuzulassen; ein zweites Diffusionsmedium, das
zwischen der Platte der feuchten Seite und der Platte der trockenen
Seite benachbart der Platte der trockenen Seite angeordnet ist,
wobei das zweite Diffusionsmedium derart ausgebildet ist, um eine Übertragung
von Wasserdampf hindurch zuzulassen; und eine Membran, die zwischen
dem ersten Diffusionsmedium und dem zweiten Diffusionsmedium angeordnet
ist, wobei die Membran derart ausgebildet ist, um eine Übertragung
von Wasserdampf hindurch zuzulassen, wobei Wasserdampf in dem feuchten
Gas durch das erste Diffusionsmedium, die Membran und das zweite
Diffusionsmedium an das trockene Gas übertragen wird.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
umfasst der Membranbefeuchter für
eine Brennstoffzelle eine Vielzahl von Platten einer feuchten Seite
mit einer Vielzahl von darin geformten Strömungskanälen, wobei die Strömungskanäle der Platten
der feuchten Seite derart ausgebildet sind, um eine Strömung eines
feuchten Gases hindurch zu erleichtern; eine Vielzahl von Platten
einer trockenen Seite mit einer Vielzahl von darin geformten Strömungskanälen, wobei
die Strömungskanäle der Platten
der trockenen Seite derart ausgebildet sind, um eine Strömung eines
trockenen Gases hindurch zu erleichtern, wobei die Strömungskanäle der Platten
der feuchten Seite ein Kreuzstrommuster mit den Strömungskanälen der
Platten der trockenen Seite erzeugen; eine Vielzahl von ersten Diffusionsmedien,
wobei eines der ersten Diffusionsmedien zwischen jeder der Platten der
feuchten Seite und der Platten der trockenen Seite benachbart der
Platten der feuchten Seite angeordnet ist, wobei die ersten Diffusionsmedien
derart ausgebildet sind, um eine Übertragung von Wasserdampf
hindurch zuzulassen; eine Vielzahl von zweiten Diffusionsmedien,
wobei eines der zweiten Diffusionsmedien zwischen jeder der Platten
der feuchten Seite und der Platten der trockenen Seite benachbart
der Platten der trockenen Seite angeordnet ist, wobei die zweiten
Diffusionsmedien derart ausgebildet sind, um eine Übertragung von
Wasserdampf hindurch zuzulassen; und eine Membran, die zwischen
jedem der ersten Diffusionsmedien und der zweiten Diffusionsmedien
angeordnet ist, wobei die Membran derart ausgebildet ist, um eine Übertragung
von Wasserdampf hindurch zuzulassen, wobei Wasserdampf in dem feuchten
Gas durch das erste Diffusionsmedium, die Membran und das zweite
Diffusionsmedium an das trockene Gas übertragen wird.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich, in
welchen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Abschnitts einer Membranbefeuchteranordnung
gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ist, die einen Teil eines Strö mungskanals einer feuchten
Platte und eines Strömungskanals
einer trockenen Platte zeigt;
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2 eine
grafische Darstellung der Wasserpartialdruckverteilung über die
in 1 gezeigte Membranbefeuchteranordnung ist;
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3 eine
perspektivische Explosionsdarstellung der in 1 gezeigten
Membranbefeuchteranordnung ist;
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4 eine
perspektivische Ansicht der in den 1 und 3 gezeigten
Membranbefeuchteranordnung ist;
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5 eine
vergrößerte teilweise
perspektivische Ansicht eines Eckabschnitts der Membranbefeuchteranordnung
ist, der in 4 durch Kreis A gezeigt ist;
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6 eine
perspektivische Ansicht einer Vielzahl gestapelter Membranbefeuchteranordnungen
ist;
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7 eine
Schnittansicht der Membranbefeuchteranordnung entlang der Linie
7-7 von 4 ist, die in einer feuchten
Platte geformte Strömungskanäle zeigt;
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8 eine
Schnittansicht der Membranbefeuchteranordnung entlang der Linie
8-8 von 4 ist, die in einer trockenen
Platte geformte Strömungskanäle zeigt;
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9 eine
Schnittansicht einer Membranbefeuchteranordnung gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Er findung ist, die in einer feuchten Platte geformte Strömungskanäle zeigt;
und
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10 eine
Schnittansicht einer Membranbefeuchteranordnung gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung ist, die in einer trockenen Platte geformte Strömungskanäle zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
folgende detaillierte Beschreibung und angefügten Zeichnungen beschreiben
und zeigen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Die Beschreibung und Zeichnungen dienen dazu, den Fachmann in die
Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen und anzuwenden, und sind
nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner
Weise zu begrenzen.
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1 zeigt
eine Membranbefeuchteranordnung 10 für eine Brennstoffzelle (nicht
gezeigt) gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. Die Membranbefeuchteranordnung 10 weist
eine feuchte Platte 12 und eine trockene Platte 14 auf.
Für die
hier gezeigte und beschriebene Ausführungsform ist die Membranbefeuchteranordnung 10 für eine Kathodenseite
der Brennstoffzelle beschrieben. Es sei jedoch zu verstehen, dass
die Membranbefeuchteranordnung 10 gegebenenfalls auch für eine Anodenseite
der Brennstoffzelle oder anderweitig verwendet werden kann.
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Die
feuchte Platte 12 weist eine Vielzahl von darin geformten
Strömungskanälen 16 auf.
Die Kanäle 16 sind
derart ausgebildet, um ein feuchtes Gas von der Kathode der Brennstoffzelle
an einen Austrag (nicht gezeigt) zu fördern. Bei der gezeigten Ausführungsform
weisen die Kanäle 16 eine Breite
WCW und eine Tiefe HCW auf.
Ein Steg 18 ist zwischen benachbarten Kanälen 16 in
der feuchten Platte 12 ausgebildet. Der Steg 18 weist
eine Breite WLW auf. Es kann ein beliebiges
herkömmliches
Material verwendet werden, um die feuchte Platte 12 auszubilden,
wie beispielsweise Stahl, Polymere und Kompositmaterialien.
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Die
trockene Platte 14 weist eine Vielzahl von darin geformten
Strömungskanälen 20 auf.
Die Kanäle 20 sind
derart ausgebildet, um ein trockenes Gas von einer Gasquelle (nicht
gezeigt) an die Kathode der Brennstoffzelle zu fördern. Wie hier verwendet ist,
bedeutet der Begriff "feuchtes
Gas" ein Gas, wie
Luft und Gasmischungen aus beispielsweise O2, N2, H2O, H2, mit Wasserdampf
und/oder flüssigem
Wasser darin bei einem Niveau oberhalb dem des trockenen Gases.
Der Begriff "trockenes
Gas" bedeutet ein
Gas, wie Luft und Gasmischungen aus beispielsweise O2, N2, H2O und
H2 ohne Wasserdampf oder mit Wasserdampf und/oder flüssigem Wasser
darin bei einem Niveau unterhalb dem des feuchten Gases. Es sei
zu verstehen, dass gegebenenfalls andere Gase oder Mischungen von
Gasen verwendet werden können.
Bei der gezeigten Ausführungsform
weisen die Kanäle 20 eine
Breite WCD und eine Höhe HCD auf.
Ein Steg 22 ist zwischen benachbarten Kanälen 20 in
der trockenen Platte 14 ausgebildet. Der Steg 22 weist
eine Breite WLD auf. Es kann ein beliebiges
herkömmliches
Material dazu verwendet werden, die trockene Platte 14 auszubilden,
wie beispielsweise Stahl, Polymere und Kompositmaterialien.
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Ein
Diffusionsmedium oder eine Diffusionsschicht 24 ist benachbart
der Platte 12 der feuchten Seite angeordnet und liegt an
deren Stegen 18 an. Ähnlicherweise
ist ein Diffusionsmedium oder eine Diffusionsschicht 26 benachbart
der Platte 14 der trockenen Seite angeordnet und liegt
an deren Stegen 22 an. Die Diffusionsmedien 24, 26 sind
aus einem nachgie bigen und gaspermeablen Material ausgebildet, wie
beispielsweise Kohlenstoffgewebe, Papier und Glasfaser.
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Eine
Membran 28 ist zwischen dem Diffusionsmedium 24 und
dem Diffusionsmedium 26 angeordnet. Die Membran 28 kann
eine beliebige herkömmliche
Membran sein, wie beispielsweise Perfluorsulfonsäure (PFSA), wie die, die mit
der Handelsbezeichnung Nafion® vertrieben wird, hydrophile
Polymermembrane und Polymerkompositmembrane. Für eine kompakte Brennstoffzellenbefeuchteranwendung
ist es typischerweise erwünscht,
dass die Membran 28 eine Durchlässigkeit von größer als
8000 GPU und typischerweise im Bereich von 10000–12000 GPU aufweist.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung der Membranbefeuchteranordnung 10,
die die Kanäle 16, das
Diffusionsmedium 24, die Membran 28, das Diffusionsmedium 26 und
die Kanäle 20 aufweist,
mit einer grafischen Darstellung des Wasserpartialdrucks über die
Membranbefeuchteranordnung 10. Ein molekularer Transport
von Wasser von dem Kanal 16 der feuchten Seite zu dem Kanal 20 der
trockenen Seite umfasst verschiedene Transportarten. In den Kanälen 16 und 20 erfolgt
ein Konvektionsmassentransport von Wasserdampf. Durch die Diffusionsmedien 24, 26 erfolgt
ein Diffusionstransport. Wasserdampf wird auch durch Diffusion durch
die Membran 28 transportiert. Wenn zusätzlich eine Druckdifferenz
zwischen den Kanälen 16 der Platte 12 der
feuchten Seite und den Kanälen 20 der
Platte 14 der trockenen Seite existiert, wird Wasser durch die
Membran 28 durch hydraulische Kräfte übertragen. Temperaturunterschiede
zwischen den Kanälen 16 der Platte 12 der
feuchten Seite und den Kanälen 20 der
Platte 14 der trockenen Seite können auch den Transport von
Wasser dazwischen beeinflussen. Es existiert auch ein Enthalpieaustausch
zwischen den Kanälen 16 der Platte 12 der
feuchten Seite und den Kanälen 20 der
Platte 14 der trockenen Seite. Die Linie P in 2 zeigt die
Wasserpartialdruckverteilung über
die Membranbefeuchteranordnung 10.
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Für jeden
Schritt des Transports von Wasser von dem Kanal
16 der
feuchten Seite zu dem Kanal
20 der trockenen Seite kann
der Wasserfluss berechnet werden. Für den Wassertransport in den
Kanälen
16,
20 gilt:
wobei:
- DH₂O-m:
- Diffusionsvermögen von
Wasserdampf in Gasmischung (m2 s)
- Hc:
- Kanaltiefe (m)
- NH₂O:
- Wasserdiffusionsfluss
durch Membran (mol/m2 s)
- PH₂O:
- Wasserpartialdruck
(Pa)
- R:
- Ideale Gaskonstante
t
- Sh:
- Nußelt-Zahl
- T:
- Temperatur (K)
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Für den Wassertransport
durch die Diffusionsmedien
24,
26 gilt:
wobei:
- d:
- Diffusionsmediumdicke
(m)
- ε:
- Diffusionsmediumporosität
- τ:
- Diffusionsmediumgewundenheit
-
Für einen
Wassertransport durch die Membran
28 (für die Zwecke der Veranschaulichung
ist eine Perfluorsulfonsäuremembran
verwendet) gilt:
wobei:
- EW:
- Äquivalentgewicht der Membran
(gm Nafion/mol SO3H)
- ρm:
- Dichte der Membran
(gm Nafion/cm3)
- Dh2o,memb:
- Diffusionsvermögen von
Wasser in der Membran (cm2/s)
- δm:
- Dicke der Membran
(cm)
- λ:
- Wasseraufnahme (mol
H2O/mol SO3H)
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3 zeigt
eine Explosionsdarstellung der in 1 gezeigten
Membranbefeuchteranordnung 10, und 4 zeigt
die Membranbefeuchteranordnung 10 in zusammengebautem Zustand.
Wie in 5 deutlicher dargestellt ist, weist die Platte 12 der
feuchten Seite Kanäle 16 auf,
die an ihrer oberen Seite und unteren Seite ausgebildet sind. Ähnlicherweise
weist die Platte 14 der trockenen Seite Kanäle 20 auf,
die an ihrer oberen Seite und unteren Seite ausgebildet sind. Das
Ausbilden der Kanäle 16, 20 an
der oberen Seite und der unteren Seite der Platten 12, 14 erlaubt
ein Stapeln der Platten 12, 14 in eine Wasserdampfübertragungs-(WVT)-Einheit 30,
wie in 6 gezeigt ist. Bei der gezeigten Ausführungsform
ist ein zusätzliches
Diffusionsmedium 32 an der Platte 12 der feuchten
Seite angeordnet, und ein Diffusionsmedium 34 ist benachbart der
Platte 14 der trockenen Seite angeordnet, um ein Stapeln
in die WVT-Einheit 30 zu erleichtern. Zusätzlich kann
Diffusionsmediummaterial verwendet werden, das gegebenenfalls nur
die Platte 12 der feuchten Seite oder die Platte 14 der
trockenen Seite umgibt. Es sei zu verstehen, dass andere Konfigurationen
für die
Diffusionsmedien ohne Abweichung vom Schutzumfang und den Grundgedanken
der Erfindung verwendet werden können.
Bei der gezeigten Ausführungsform
ist die Membran 28 um das Diffusionsmedium 32,
die Platte 12 der feuchten Seite und das Diffusionsmedium 24 gewickelt,
obwohl zu verstehen sei, dass die Membran 28 anderweitig
an oder um das Diffusionsmedium 32, die Platte 12 der
feuchten Seite und das Diffusionsmedium 24 angeordnet sein
kann.
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Die 7 und 8 zeigen
eine Schnittansicht der Platte 12 der feuchten Seite und
der Platte 14 der trockenen Seite und eine Kreuzstromkonfiguration
für die
Kanäle 16, 20 der
jeweiligen Platten 12, 14. Bei der gezeigten Ausführungsform
ist die Membran 28 an den Platten 12, 14 durch
ein Klebstoffmaterial 36 an einem äußeren Umfangsrand der Platten 12, 14 angeklebt,
um Dichtungseigenschaften dazwischen zu maximieren. Es sei zu verstehen,
dass andere herkömmliche
Materialien verwendet werden können,
wie ein Dichtungselement oder andere Dichtungen, oder dass gegebenenfalls
keine Dichtungen oder Klebstoff verwendet werden müssen.
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Die
Diffusionsmedien 24, 32 sind in jeweiligen Hohlräumen 38, 40 angeordnet,
die in der Platte 12 der feuchten Seite ausgebildet sind.
Hohlräume 39, 41 sind
auch in der Platte 14 der trockenen Seite ausgebildet, um
die Diffusionsmedien 26, 34 aufzunehmen. Es sei
zu verstehen, dass sich die Diffusionsmedien 24, 26, 32, 34 an
den äußeren Umfangsrand
der Platten 12, 14 erstrecken können, ohne
von dem Schutzumfang und dem Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
Im Wesentlichen flache Dichtungsflächen 42, 44, 46, 48 benachbart
der jeweiligen äußeren Umfangsränder der
Platten 12, 14 unterstützen eine Dichtung zwischen
den Platten 12, 14 weiter.
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Bei
der in den 7 und 8 gezeigten
Ausführungsform
sind die Platten 12, 14 durch einen Extrusions-
bzw. Strangpressprozess hergestellt, obwohl gegebenenfalls auch
andere Prozesse verwendet werden können, um die Platten 12, 14 zu
formen. Günstige
Ergebnisse sind für
Tiefen HCW, HCD der
Kanäle 16, 20 von weniger
als oder gleich 0,5 mm erhalten worden, obwohl gegebenenfalls auch
andere Tiefen HCW, HCD verwendet
werden können.
Günstigere
Ergebnisse sind für
Tiefen HCW, HCD der
Kanäle 16, 20 von
etwa 0,3 mm erhalten worden. Eine Verwendung von Kanaltiefen in
diesem Bereich steht mit einem Ausgleich des Transportwiderstandes
in den Kanälen 16, 20 und
des Kanaldruckabfalls in Verbindung. Wenn die Kanaltiefe reduziert
ist, ist der Massentransportwiderstand in dem Kanal reduziert. Jedoch
ist der Kanaldruckabfall erhöht,
was den Brennstoffzellenwirkungsgrad reduziert. Die Tiefen HCW, HCD in den obigen
Bereichen haben in dem Kanal 16 der feuchten Seite und
dem Kanal 20 der trockenen Seite Gesamtdruckabfälle von
weniger als 30 kPa für
ein Brennstoffzellensystem mit 100 kWe zur Folge gehabt.
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Ein
Kanalflächenverhältnis AR
ist durch die folgende Gleichung definiert:
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Günstige Ergebnisse
sind für
Kanalflächenverhältnisse
AR im Bereich von 75–85
% mit einer Kanalbreite WC zwischen 0,5
mm und 5 mm erzielt worden, obwohl gegebenenfalls andere Verhältnisse
AR und Kanalbreiten WC verwendet werden
können.
Derartige Kanalflächenverhältnisse
AR und Kanalbreiten WC sind so gewählt, um
einen Membranflächengebrauch
unter den Stegen 18, 22 zu maximieren und das
Eindringen der Membran 28 oder anderer Strukturen in die
Strömungskanäle 16, 20 zu
minimie ren. Zusätzliche
günstige Ergebnisse
sind erzielt worden, wenn eine Gasströmung durch die Kanäle 16, 20 laminar
ist, was einen Druckabfall durch die Kanäle 16, 20 minimiert
und den Wasserdampftransport durch die Diffusionsmedien 24, 26, 32, 34 und
die Membran 28 maximiert. Jedoch kann gegebenenfalls eine
turbulente Strömung
vorgesehen sein. Die Verwendung der Kreuzstromkonfiguration, wie
in den 7 und 8 offenbart ist, minimiert einen Druckabfall
durch die Kanäle 16, 20,
indem ein im Wesentlichen linearer Strömungspfad durch die jeweiligen Platten 12, 14 beibehalten
wird, minimiert eine Einbaugröße für den Stapel 30 und
vereinfacht Lieferanforderungen für das Gas, was hier weiter
beschrieben ist. Weitere günstige
Ergebnisse sind gefunden worden, wenn die Diffusionsmedien 24, 26, 32, 34 eine
Dicke von weniger als 0,2 mm und typischerweise zwischen 0,05 und 0,15
mm und eine Porosität
im Bereich von 50–95
% und typischerweise zwischen 79 und 90 % aufweisen, obwohl gegebenenfalls
andere Dicken und Porositäten
verwendet werden können.
Die Verwendung der Diffusionsmedien 24, 26, 32, 34 in
den aufgelisteten Bereichen unterstützt einen effizienten Gebrauch
der Bereiche der Membran 28 benachbart der Stege 18, 22 und
minimiert einen Massentransportwiderstand in den Diffusionsmedien 24, 26, 32, 34.
Bei Optimierung eines Wasserdampftransports durch die Diffusionsmedien 24, 26, 32, 34 sind
günstige
Ergebnisse unter Verwendung einer Porengröße in den Diffusionsmedien 24, 26, 32, 34 im
Bereich von etwa 0,01–100
Mikrometer und typischerweise zwischen 1 und 50 Mikrometer gefunden
worden, obwohl gegebenenfalls andere Porengrößen verwendet werden können. Um
einer Eindringung der Diffusionsmedien 24, 26, 32, 34 in
die Kanäle 16, 20,
was in höheren
Druckabfällen
in den Kanälen 16, 20 resultiert, entgegenzuwirken,
ist es erwünscht,
dass die Diffusionsmedien 24, 26, 32, 34 einen
Elastizitätsmodul
von größer als
40.000 kPa aufweisen, und besser noch, dass der Modul größer als
100.000 kPa ist.
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Im
Betrieb wird bewirkt, dass das feuchte Gas durch die Kanäle 16 strömt, die
in der Platte 12 der feuchten Seite geformt sind. Das feuchte
Gas wird von der Versorgung für
feuchtes Gas aufgenommen. Es kann ein beliebiges herkömmliches
Mittel verwendet werden, um das feuchte Gas an die Kanäle 16 zu
liefern, wie beispielsweise eine Versorgungssammelleitung in Verbindung
mit den Kanälen 16.
Bei der gezeigten Ausführungsform
wird das feuchte Gas von einem Abgasstrom der Brennstoffzelle geliefert.
Das feuchte Gas verlässt
die Kanäle 16 an
den Austrag. Es wird bewirkt, dass das trockene Gas durch die Kanäle 20 strömt, die in
der Platte 14 der trockenen Seite ausgebildet sind. Das
trockene Gas wird von der Versorgung für trockenes Gas aufgenommen.
Es kann ein beliebiges herkömmliches
Mittel verwendet werden, das trockene Gas an die Kanäle 20 zu
liefern, wie beispielsweise eine Versorgungssammelleitung in Verbindung
mit den Kanälen 20. Das
trockene Gas verlässt
dann die Kanäle 20.
Bei der gezeigten Ausführungsform
wird das trockene Gas von einem Kompressor (nicht gezeigt) geliefert.
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Für die gezeigte
Ausführungsform
ist eine Temperatur des feuchten Gases typischerweise niedriger als
eine Temperatur des trockenen Gases. Die Temperatur der trockenen
Luft von dem Kompressor kann etwa 180 Grad Celsius betragen, und
die Temperatur der feuchten Luft von dem Brennstoffzellenaustrag
kann etwa 80–95
Grad Celsius betragen. Wenn ein Luftkühler (nicht gezeigt) dazu verwendet
wird, die von dem Kompressor gelieferte trockene Luft zu kühlen, kann
die Temperatur im Bereich von 95–105 Grad Celsius liegen. Es
sei zu verstehen, dass andere Temperaturbereiche ohne Abweichung
vom Schutzumfang und dem Grundgedanken der Erfindung verwendet werden
können.
Als Ergebnis der Temperaturdifferenz zwischen dem feuchten Gas und
dem trockenen Gas wird das trockene Gas auch während seiner Befeuchtung gekühlt. Der
Kühleffekt erhöht auch
die relative Feuchte des neu befeuchteten Gases (des trocke nen Gases),
wodurch ein Trocknungseffekt des Gases auf Komponenten der Brennstoffzellen
minimiert wird.
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Während einer
Strömung
des feuchten Gases durch die Kanäle 16 und
der Strömung
des trockenen Gases durch die Kanäle 20 steht das feuchte
Gas in Kreuzstrombeziehung mit dem trockenen Gas. Es sei zu verstehen,
dass auch eine Gegenstrombeziehung der Gasströme verwendet werden kann, um
einen Transport von Wasserdampf von dem feuchten Gasstrom auf den
trockenen Gasstrom zu erleichtern. Für eine Brennstoffzellenbefeuchtungsanwendung
ist die Anforderung nach einer Wirksamkeit der Wasserübertragung
typischerweise niedrig. Infolgedessen ist nur eine geringe erwartete
Leistungsdifferenz zwischen der Gegenstrom- und Kreuzstromkonstruktion
vorhanden. Der molekulare Transport von Wasser von dem feuchten
Gas zu dem trockenen Gas kann die folgenden Arten betreffen: A)
einen Konvektionsmassentransport von Wasserdampf in den Kanälen 16, 20;
B) einen Diffusionstransport durch die Diffusionsmedien 24, 26, 32, 34;
und C) einen Wasserdampftransport durch die Membran 28 durch
Diffusion. Wenn zusätzlich
eine Druckdifferenz zwischen den Kanälen 16 in der Platte 12 der
feuchten Seite und den Kanälen 20 in
der Platte 14 der trockenen Seite existiert, wird Wasser
durch die Membran 28 durch hydraulische Kräfte übertragen.
Wenn zusätzlich
der feuchte Gasstrom und der trockene Gasstrom verschiedene Temperaturen
aufweisen, kann eine Wärmeübertragung
von dem heißen
Fluid zu der Membran 28 und von der Membran 28 zu
dem kalten Fluid ebenfalls die Übertragung
von Wasser beeinflussen. Wasser kann auch in den Massenphasen (d.h.
ein Fluid kann mitgerissenes flüssiges
Wasser bei einer RF > 100
% enthalten) kondensieren oder verdampfen. Es kann auch ein Enthalpieaustausch
zwischen dem feuchten Gas und dem trockenen Gas in Verbindung mit
dem Wasserfluss vorhanden sein.
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Wie
vorher beschrieben wurde, werden die Platten 12, 14 durch
einen Strangpress- bzw. Extrusionsprozess geformt. Durch Formung
der Platten 12, 14 auf diese Weise wird eine Komplexität der Herstellung
minimiert. Aufgrund der minimierten Komplexität der Herstellung sind auch
deren Kosten minimiert.
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Die 9 und 10 zeigen
eine andere Ausführungsform
der Erfindung. Die aus den 1–8 wiederholte
gleiche Struktur ist unter Verwendung derselben Bezugszeichen und
einem Oberstrich-(')-Symbol dargestellt.
Bei der gezeigten Ausführungsform
werden die Platten 12', 14' durch einen
Stanz- bzw. Prägeprozess
geformt, der in der gezeigten Form der Kanäle resultiert, obwohl gegebenenfalls
auch andere Prozesse verwendet werden können, um die Platten 12', 14' zu formen.
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Die
Platte 12' der
feuchten Seite weist einen umgekanteten Rand 50 auf. Der
umgekantete Rand 50 weist im Wesentlichen flache Dichtflächen 52, 54 auf.
Bei der gezeigten Ausführungsform
enthält
der umgekantete Rand 50 einen Füllstoff 56, der darin
angeordnet und derart ausgebildet ist, um einer Umgehung einer Gasströmung hindurch
entgegenzuwirken. Es sei zu verstehen, dass der umgekantete Rand 50 vollständig mit dem
Füllstoff 56 gefüllt, teilweise
mit dem Füllstoff 56 gefüllt oder
gegebenenfalls ohne den Füllstoff 56 vorgesehen
sein kann.
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Die
Platte 14' der
trockenen Seite weist einen umgekanteten Rand 58 auf. Der
umgekantete Rand 58 weist im Wesentlichen flache Dichtflächen 60, 62 auf.
Es sei zu verstehen, dass der umgekantete Rand 58 mit einem
Füllstoff 64 versehen
sein kann, der den umgekanteten Rand 58 vollständig füllt, den
umgekanteten Rand 58 teilweise füllt, oder der umgekantete Rand 58 ohne
den Füllstoff
vorgesehen sein kann, wie gezeigt ist.
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Die
Verwendung der Platte 12' der
feuchten Seite und der Platte 14' der trockenen Seite, die durch den
Stanz- bzw. Prägeprozess
geformt sind, minimiert ferner eine Dicke der Platten 12', 14'. Durch Formung der
Platten 12', 14' auf diese Weise
ist eine Komplexität
der Herstellung minimiert. Aufgrund der minimierten Komplexität der Herstellung
sind auch deren Kosten minimiert. Der Rest der Struktur und des
Betriebs sind im Wesentlichen gleich denen, wie oben für die 1 bis 8 beschrieben
ist.
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Aus
der vorhergehenden Beschreibung kann der Fachmann leicht die wesentlichen
Charakteristiken dieser Erfindung feststellen und ohne Abweichung
vom Grundgedanken und Schutzumfang derselben verschiedene Änderungen
und Modifikationen an der Erfindung ausführen, um diese an verschiedene
Gebräuche und
Bedingungen anzupassen.