DE102007029596B4

DE102007029596B4 - Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102007029596B4
Application number: DE102007029596.2A
Authority: DE
Inventors: Yan Zhang; Annette M. Brenner; Hubert A. Gasteiger; Steven G. Goebel; Glenn W. Skala
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-06-29
Filing date: 2007-06-27
Publication date: 2015-01-08
Anticipated expiration: 2027-06-28
Also published as: JP4891158B2; US20080001313A1; US7875396B2; JP2008021645A; CN101098021A; DE102007029596A1; US8137853B2; CN101098021B; US20110039167A1

Abstract

Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle, umfassend: eine im Wesentlichen planare erste Platte, die zumindest einen darin geformten, im Wesentlichen linearen Strömungskanal aufweist; eine im Wesentlichen planare zweite Platte, die zumindest einen darin geformten, im Wesentlichen linearen Strömungskanal aufweist, 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.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und insbesondere einen Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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 US 2004-0209150 A1 (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, Computer und dergleichen verwendet werden. Typischerweise erzeugen die Brennstoffzellen Elektrizität, die dazu verwendet wird, Batterien zu laden oder Energie für einen Elektromotor bereitzustellen.
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.
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.
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).
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).
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 Strömungskanälen 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.
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 US 2004-0209150 A1 (Seriennr. 10/418,536) offenbart, Goebel et al; der in Gemeinschaftsbesitz befindlichen U. S. Patentanmeldung US 2006-0029837 A1 (Seriennr. 10/912,298) von Sennoun et al.; und der in Gemeinschaftsbesitz befindlichen U. S. Patentanmeldung US 2005-0260469 A1 (Seriennr. 11/087,911) von Forte,, von denen jede derselben hierdurch in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hier eingeschlossen ist.
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 US 2005-0221133 A1 (Seriennr. 10/516,483) von Tanihara et al., die hierdurch in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hier eingeschlossen ist, und dem Patent Nr. US 6 471 195 A , das hier in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
DE 10 2005 037 485 A1 beschreibt einen Befeuchter zum Befeuchten eines unreagierten Gases mit einer Flüssigkeit, die von einem Austrittsgas von einer Brennstoffzelle durch eine Befeuchtungsmembran übertragen wird. Der offenbarte Membranbefeuchter weist rechtwinklig angeordnete Strömungskanäle auf, jedoch keine Diffusionsmedien.
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.
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, also 7,5005·10^–8 – 9,0006·10^–8 ms^–1Pa^–1). Die GPU oder ”gas permeation unit” oder Gaspermeationseinheit ist ein partialdrucknormalisierter Fluss, wobei 1 GPU = 10^–6 cm³ (STP)/(cm²scmHg) = 7,5005·10^–12 ms^–1Pa^–1. Folglich steht eine Minimierung des Transportwiderstandes in den feuchten und trockenen Strömungskanälen und dem Membranträgermaterial bei der Konstruktion im Mittelpunkt.
Es wäre erwünscht, einen Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle zu erzeugen, bei dem ein Massentransportwiderstand und ein Druckabfall minimiert sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Konsistent und in Einklang mit der vorliegenden Erfindung ist überraschend ein Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle gemäß den Patentansprüchen, bei dem ein Massentransportwiderstand und ein Druckabfall minimiert sind, entdeckt worden.
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; eine im Wesentlichen planare zweite Platte, die zumindest einen darin geformten, im Wesentlichen linearen Strömungskanal aufweist, 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. Die Strömungskanäle der ersten und der zweiten Platte können derart ausgebildet sein, um eine Strömung des ersten bzw. zweiten Gases hindurch zu erleichtern.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst der Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle eine Platte einer feuchten Seite mit einer Vielzahl von darin geformten Strömungskanälen; eine Platte einer trockenen Seite mit einer Vielzahl von darin geformten Strömungskanälen, 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. Die Strömungskanäle der Platten der feuchten und der trockenen Seite können derart ausgebildet sein, um eine Strömung eines feuchten bzw. eines trockenen Gases hindurch zu erleichtern.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst der Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle eine Vielzahl von Platten einer feuchten Seite mit einer Vielzahl von darin geformten Strömungskanälen; eine Vielzahl von Platten einer trockenen Seite mit einer Vielzahl von darin geformten Strömungskanälen, 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. Die Strömungskanäle der Platten der feuchten und der trockenen Seite können derart ausgebildet sein, um eine Strömung eines feuchten bzw. eines trockenen Gases hindurch zu erleichtern.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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:
1 eine schematische Ansicht eines Abschnitts einer Membranbefeuchteranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist, die einen Teil eines Strömungskanals einer feuchten Platte und eines Strömungskanals einer feuchten Platte und eines Strömungskanals einer trockenen Platte zeigt;
2 eine grafische Darstellung der Wasserpartialdruckverteilung über die in 1 gezeigte Membranbefeuchteranordnung ist;
3 eine perspektivische Explosionsdarstellung der in 1 gezeigten Membranbefeuchteranordnung ist;
4 eine perspektivische Ansicht der in den 1 und 3 gezeigten Membranbefeuchteranordnung ist;
5 eine vergrößerte teilweise perspektivische Ansicht eines Eckabschnitts der Membranbefeuchteranordnung ist, der in 4 durch Kreis A gezeigt ist;
6 eine perspektivische Ansicht einer Vielzahl gestapelter Membranbefeuchteranordnungen ist;
7 eine Schnittansicht der Membranbefeuchteranordnung entlang der Linie 7-7 von 4 ist, die in einer feuchten Platte geformte Strömungskanäle zeigt;
8 eine Schnittansicht der Membranbefeuchteranordnung entlang der Linie 8-8 von 4 ist, die in einer trockenen Platte geformte Strömungskanäle zeigt;
9 eine Schnittansicht einer Membranbefeuchteranordnung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist, die in einer feuchten Platte geformte Strömungskanäle zeigt; und
10 eine Schnittansicht einer Membranbefeuchteranordnung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist, die in einer trockenen Platte geformte Strömungskanäle zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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.
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.
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 W_CW und eine Tiefe H_CW auf. Ein Steg 18 ist zwischen benachbarten Kanälen 16 in der feuchten Platte 12 ausgebildet. Der Steg 18 weist eine Breite W_LW auf. Es kann ein beliebiges herkömmliches Material verwendet werden, um die feuchte Platte 12 auszubilden, wie beispielsweise Stahl, Polymere und Kompositmaterialien.
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 W_CD und eine Höhe H_CD auf. Ein Steg 22 ist zwischen benachbarten Kanälen 20 in der trockenen Platte 14 ausgebildet. Der Steg 22 weist eine Breite W_LD auf. Es kann ein beliebiges herkömmliches Material dazu verwendet werden, die trockene Platte 14 auszubilden, wie beispielsweise Stahl, Polymere und Kompositmaterialien.
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 nachgiebigen und gaspermeablen Material ausgebildet, wie beispielsweise Kohlenstoffgewebe, Papier und Glasfaser.
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 (6,0004·10^–8 ms^–1Pa^–1) und typischerweise im Bereich von 10000–12000 GPU (7,5005·10^–8 – 9,0006·10^–8 ms^–1Pa^–1) aufweist.
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.
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:

D_H₂O-m:: Diffusionsvermögen von Wasserdampf in Gasmischung (m²s)
H_c:: Kanaltiefe (m)
N_H₂O:: Wasserdiffusionsfluss durch Membran (mol/m²s)
P_H₂O:: Wasserpartialdruck (Pa)
R:: Ideale Gaskonstante t
Sh:: Nußelt-Zahl
T:: Temperatur (K)

Für den Wassertransport durch die Diffusionsmedien 24, 26 gilt:
wobei:

d:: Diffusionsmediumdicke (m)
ε:: Difftrsionsmediumporosität
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)
ρ_m:: Dichte der Membran (gm Nafion/cm³)
D_h2o,memb:: Diffusionsvermögen von Wasser in der Membran (cm²/s)
δ_m:: Dicke der Membran (cm)
λ:: Wasseraufnahme (mol H₂O/mol SO₃H)

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.
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.
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.
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 H_CW, H_CD der Kanäle 16, 20 von weniger als oder gleich 0,5 mm erhalten worden, obwohl gegebenenfalls auch andere Tiefen H_CW, H_CD verwendet werden können. Günstigere Ergebnisse sind für Tiefen H_CW, H_CD 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 H_CW, H_CD 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.
Ein Kanalflächenverhältnis AR ist durch die folgende Gleichung definiert:
Günstige Ergebnisse sind für Kanalflächenverhältnisse AR im Bereich von 75–85% mit einer Kanalbreite W_C zwischen 0,5 mm und 5 mm erzielt worden, obwohl gegebenenfalls andere Verhältnisse AR und Kanalbreiten W_C verwendet werden können. Derartige Kanalflächenverhältnisse AR und Kanalbreiten W_C 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 minimieren. 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.
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.
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 trockenen Gases), wodurch ein Trocknungseffekt des Gases auf Komponenten der Brennstoffzellen minimiert wird.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle, umfassend: eine im Wesentlichen planare erste Platte, die zumindest einen darin geformten, im Wesentlichen linearen Strömungskanal aufweist; eine im Wesentlichen planare zweite Platte, die zumindest einen darin geformten, im Wesentlichen linearen Strömungskanal aufweist, 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.
Befeuchter nach Anspruch 1, wobei zumindest eines des ersten Gases und des zweiten Gases aus Luft und Gasmischungen gewählt ist, die zumindest eines aus O₂, N₂, H₂O, H₂ umfassen.
Befeuchter nach Anspruch 1, wobei die Membran eine Durchlässigkeit von größer als 8000 GPU (6,0004·10^–8 ms^–1Pa^–1) aufweist.
Befeuchter nach Anspruch 1, wobei die erste Platte und die zweite Platte eine im Wesentlichen flache Dichtfläche benachbart eines Umfangsrandes derselben aufweisen.
Befeuchter nach Anspruch 1, wobei die erste Platte und die zweite Platte einen umgekanteten Außenrand besitzen.
Befeuchter nach Anspruch 5, wobei zumindest einer des umgekanteten Außenrandes der ersten Platte und des umgekanteten Außenrandes der zweiten Platte einen darin angeordneten Füllstoff aufweist.
Befeuchter nach Anspruch 1, wobei die erste Platte und die zweite Platte durch einen Stanz- bzw. Prägeprozess geformt sind.
Befeuchter nach Anspruch 1, wobei die erste Platte und die zweite Platte durch einen Strangpressprozess geformt sind.
Befeuchter nach Anspruch 1, wobei zumindest einer des Kanals der ersten Platte und des Kanals der zweiten Platte eine Tiefe von bis zu 0,5 mm aufweist.
Befeuchter nach Anspruch 1, wobei zumindest einer des Kanals der ersten Platte und des Kanals der zweiten Platte eine Tiefe von etwa 0,3 mm aufweist.
Befeuchter nach Anspruch 1, wobei ein Gesamtdruckabfall in dem Kanal der ersten Platte und dem Kanal der zweiten Platte kleiner als 30 Kilopascal für ein Brennstoffzellensystem mit 100 kWe ist.
Befeuchter nach Anspruch 1, wobei ein Kanalflächenverhältnis für zumindest einen des Kanals der ersten Platte und des Kanals der zweiten Platte, das definiert ist durch die Gleichung: Kanalflächenverhältnis = Breite des Kanals / Breite des Kanals + Breite des Steges, im Bereich von 75–85% liegt.
Befeuchter nach Anspruch 1, wobei die Strömung zumindest eines des ersten Gases und des zweiten Gases laminar ist.
Befeuchter nach Anspruch 1, wobei eine Temperatur des ersten Gases niedriger als eine Temperatur des zweiten Gases ist, was eine Kühlung des zweiten Gases während seiner Befeuchtung bewirkt.
Befeuchter nach Anspruch 1, wobei das Diffusionsmedium eine Dicke von weniger als 0,2 mm, eine Porosität im Bereich von 50–95%, eine durchschnittliche Porengröße im Bereich von 0,01 bis 100 Mikrometer und einen Elastizitätsmodul von größer als 40.000 kPa besitzt.
Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle, umfassend: eine Platte der feuchten Seite mit einer Vielzahl von darin geformten Strömungskanälen; eine Platte der trockenen Seite mit einer Vielzahl von darin geformten Strömungskanälen, 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.
Befeuchter nach Anspruch 16, wobei zumindest einer der Kanäle der Platte der feuchten Seite und der Kanäle der Platte der trockenen Seite eine Tiefe von bis zu 0,5 Millimeter besitzt.
Befeuchter nach Anspruch 16, wobei zumindest einer der Kanäle der Platte der feuchten Seite und der Kanäle der Platte der trockenen Seite eine Tiefe von etwa 0,3 Millimeter besitzt.
Befeuchter nach Anspruch 16, wobei ein Kanalflächenverhältnis für zumindest einen der Kanäle der Platte der feuchten Seite und der Kanäle der Platte der trockenen Seite, das durch die Gleichung definiert ist: Kanalflächenverhältnis = Breite des Kanals / Breite des Kanals + Breite des Steges, im Bereich von 75–85% liegt, wobei eine Kanalbreite zwischen 0,5 Millimeter und 5 Millimeter liegt.
Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle, umfassend: eine Vielzahl von Platten der feuchten Seite mit einer Vielzahl von darin geformten Strömungskanälen; eine Vielzahl von Platten der trockenen Seite mit einer Vielzahl von darin geformten Strömungskanälen, 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.