DE102020110606A1

DE102020110606A1 - Speicherfasermembran, Membranbefeuchter sowie eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen

Info

Publication number: DE102020110606A1
Application number: DE102020110606.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Lucas; Rune Staeck
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2020-04-20
Filing date: 2020-04-20
Publication date: 2021-10-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Speicherfasermembran aus einer wasserspeicherfähigen Membran, die einen sandwichartigen Aufbau aufweist mit zwei randständigen, aus einem hygroskopischen Material bestehenden Lagen (10), denen auf der nach innen weisenden Seite jeweils eine gasdichte Sperrschicht (12) zugeordnet ist, und mit einer zwischen den beiden Sperrschichten angeordneten mittigen Lage (11) aus hygroskopischem Material, wobei die eine Sperrschicht (12) an einem Rand und die andere Sperrschicht (12) an dem gegenüberliegenden Rand mindestens einen Durchlass aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Membranbefeuchter, eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Speicherfasermembran aus einer wasserspeicherfähigen Membran, die einen sandwichartigen Aufbau aufweist mit zwei randständigen, aus einem hygroskopischen Material bestehenden Lagen, denen auf der nach innen weisenden Seite jeweils eine gasdichte Sperrschicht zugeordnet ist, und mit einer zwischen den beiden Sperrschichten angeordneten mittigen Lage aus hygroskopischem Material, wobei die eine Sperrschicht an einem Rand und die andere Sperrschicht an dem gegenüberliegenden Rand mindestens einen Durchlass aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Membranbefeuchter, eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen.
Befeuchter im Allgemeinen werden eingesetzt, um bei zwei gasförmigen Medien mit einem unterschiedlichen Feuchtegehalt eine Übertragung der Feuchte auf das trockenere Medium bewirken zu können. Derartige Gas/GasBefeuchter finden insbesondere Anwendung in Brennstoffzellenvorrichtungen, bei denen im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff verdichtet wird, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vorliegt, deren Feuchte für die Verwendung in den Brennstoffzellenstapeln für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Luft für den Brennstoffzellenstapel wird befeuchtet, indem sie an einer für Wasserdampf durchlässigen Membran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestrichen wird. Für die Konditionierung der den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels zuzuführenden Luft ist auch deren Temperierung erforderlich, wozu in der Regel ein nach dem Verdichter positionierter Ladeluftkühler eingesetzt wird. Eine Alternative zu dem Membranbefeuchter sind Speicherbefeuchter mit hygroskopischen Speichermedien, die insbesondere Flüssigwasser aufnehmen und transportieren können, dabei aber dicht gegenüber Gasen sind. Bei einer Ausführungsvariante eines solchen Speicherbefeuchters wird Wasser aus dem Kathodenabgas aufgenommen und an die Kathodenversorgungsluft übertragen. Dabei wird das hygroskopische Material zur Trennung der Gase und zur Aufnahme des Kondensats verwendet. Jedoch ist die Gasdichtigkeit des Kondensats von der im hygroskopischen Material gespeicherten Wassermenge abhängig. So wird das hygroskopische Material mit einem steigenden Wassergehalt gasdichter.
Die DE 102005012071 A1 beschreibt eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Befeuchter, wobei die Befeuchtung des Wasserstoffstroms durch wasserdurchlässige Membranen erfolgt.
Ein Befeuchtungssystem für eine Brennstoffzelle offenbart die US 6403249 B1 , wobei die Luft über eine poröse, wasserdurchlässige Membran befeuchtet wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Speicherfasermembran, einen verbesserten Membranbefeuchter, sowie eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Kraftfahrzeug mit einer solchen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Speicherfasermembran mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Membranbefeuchter mit den Merkmalen des Anspruchs 8, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die eingangs erwähnte Erfindung enthält eine Speicherfasermembran aus einer wasserspeicherfähigen Membran, die einen sandwichartigen Aufbau aufweist mit zwei randständigen, aus einem hygroskopischen Material bestehenden Lagen, denen auf der nach innen weisenden Seite jeweils eine gasdichte Sperrschicht zugeordnet ist, und mit einer zwischen den beiden Sperrschichten angeordneten mittigen Lage aus hygroskopischem Material, wobei die eine Sperrschicht an einem Rand und die andere Sperrschicht an dem gegenüberliegenden Rand mindestens einen Durchlass aufweist. Dies ist vorteilhaft, da dieser Aufbau dazu führt, dass flüssiges Wasser schnell transportiert werden kann, aber Gase einen langen Diffusionsweg aufweisen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die beiden Sperrschichten derartig zueinander versetzt angeordnet sind, dass die erste Sperrschicht den Durchlass als Aussparung an einem rechten Rand und die zweite Sperrschicht den Durchlass als Aussparung an einem linken Rand bildet. Die zueinander versetzt angeordneten Durchlässe der Sperrschichten führen dazu, dass Gase, insbesondere auf die Kathodenseite gelangender Wasserstoff, einen langen Diffusionsweg aufweisen und die Diffusion in Wasser zudem langsam abläuft. Dies hat eine Sperrwirkung und bietet somit eine Gasdichtigkeit, insbesondere hinsichtlich Pump-Wasserstoff. Durch den bereits erläuterten Aufbau wird zudem eine hohe Selektivität für Gase erreicht.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das hygroskopische Material ausgewählt ist aus einer Gruppe, die poröses Glas, keramischen Schaum, Metallschaum, Metallpulver, poröse Kunststoffe, Calciumsilikat und Kunststofffasern umfasst. Da die Gasdichtigkeit der genannten hygroskopischen Materialien mit dem Wassergehalt korreliert, ermöglichen dünne Lagen dieser Materialien eine schnelle Sättigung und dadurch eine ausreichende Wassermenge für eine Gasdichtigkeit.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Sperrschicht aus einem Kunststoff, beispielsweise aus Polytetrafluorethylen, gebildet ist.
Besonders vorteilhaft ist es, dass die randständigen Lagen der Membran mit einer Faserrichtung ausgestattet sind, die senkrecht zu deren Grundfläche orientiert ist. Die mittige Lage zwischen den Sperrschichten oder die Sperrschichten der Membran selbst sind mit einer Faserrichtung ausgestattet, die parallel zu deren Grundfläche orientiert ist.
Dies wird bevorzugt, da faserige Materialien eine direktionale Wirkung und eine hohe Leitfähigkeit für Wassers aufweisen. Dies erhöht sowohl die Effizienz der Membran als auch deren Gasdichtigkeit.
Die vorstehend genannten Merkmale und Vorteile gelten zudem auch für einen erfindungsgemäßen Membranbefeuchter, für eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung und für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einer solchen Membran.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 einen schematischen Aufbau einer Brennstoffzellenvorrichtung, und
2 den schematischen Aufbau einer Speicherfasermembran.

In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese einen Befeuchter 6 zur Feuchteregulierung einer Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefassten Brennstoffzellen umfasst. Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H₂ →4H⁺ + 4e^- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O₂ + 4H⁺ + 4e→ 2H₂O (Reduktion/Elektronenaufnahme ).
Da in dem Brennstoffzellenstapel 2 mehrere Brennstoffzellen zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 8 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 2 gewünschten Parameter, erfolgt in einem dem Verdichter 8 nachgelagerten Ladeluftkühler 7 sowie in dem Befeuchter 6. Eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen steigert dabei deren Effizienz, da dies den Protonentransport begünstigt, wobei aber ein Fluten der Versorgungskanäle zu vermeiden ist.
Die 2 zeigt den schematischen Aufbau einer Speicherfasermembran aus einer wasserspeicherfähigen Membran, die einen sandwichartigen Aufbau aufweist mit zwei randständigen, aus einem hygroskopischen Material bestehenden Lagen 10, denen auf der nach innen weisenden Seite jeweils eine gasdichte Sperrschicht 12 zugeordnet ist, und mit einer zwischen den beiden Sperrschichten angeordneten mittigen Lage 11 aus hygroskopischem Material, wobei die eine Sperrschicht 12 an einem Rand und die andere Sperrschicht 12 an dem gegenüberliegenden Rand mindestens einen Durchlass aufweist. Die beiden Sperrschichten 12 sind derartig zueinander versetzt angeordnet, dass die erste Sperrschicht 12 den Durchlass als Aussparung am rechten Rand und die zweite Sperrschicht 12 den Durchlass als Aussparung am linken Rand bildet. Mit einem derartigen Aufbau und einer Fertigung der Sperrschicht 12 aus dem Kunststoff Polytetrafluorethylen wird der Diffusionsweg 14 von Gasen erheblich verlängert. Da die Gase zudem auch noch durch Wasser diffundieren müssen, wird durch die Kombination des langen Diffusionswegs 14 mit einer Diffusion durch Wasser eine Sperrwirkung gegen Gase erreicht. Um die Effizienz der wasserspeicherfähigen und für Gase selektiven Membran zu steigern, können sowohl die randständigen 10 und mittigen Lagen 11 der Membran mit einer senkrecht zu deren Grundfläche orientierten Faserrichtung als auch die mittlere Lage 11 mit einer parallel zur deren Grundfläche orientierten Faserrichtung 13 ausgestattet werden.
Die hygroskopischen Materialien sind ausgewählt aus einer Gruppe, die poröses Glas, keramischen Schaum, Metallschaum, Metallpulver, poröse Kunststoffe, Calciumsilikat und Kunststofffasern umfasst. Diese hygroskopischen Materialien können Flüssigwasser aus der Gasströmung absorbieren, speichern und transportieren. Die Speicherfasermembran übernimmt somit die Funktionen eines Kondensators, des Wassertransports und des Wasserverdampfens.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenvorrichtung
2: Brennstoffzellenstapel
3: Wasserstofftank
4: Strahlpumpe
5: Wasserabscheider
6: Membranbefeuchter
7: Ladeluftkühler
8: Verdichter
9: Druckregelklappe
10: randständige Lage
11: mittige Lage
12: Sperrschicht
13: Faserrichtung
14: Diffusionsweg

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005012071 A1 [0003]
US 6403249 B1 [0004]

Claims

Speicherfasermembran aus einer wasserspeicherfähigen Membran, die einen sandwichartigen Aufbau aufweist mit zwei randständigen, aus einem hygroskopischen Material bestehenden Lagen (10), denen auf der nach innen weisenden Seite jeweils eine gasdichte Sperrschicht (12) zugeordnet ist, und mit einer zwischen den beiden Sperrschichten angeordneten mittigen Lage (11) aus hygroskopischem Material, wobei die eine Sperrschicht (12) an einem Rand und die andere Sperrschicht (12) an dem gegenüberliegenden Rand mindestens einen Durchlass aufweist.
Speicherfasermembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sperrschichten (12) derartig zueinander versetzt angeordnet sind, dass die erste Sperrschicht (12) den Durchlass als Aussparung an einem rechten Rand und die zweite Sperrschicht (12) den Durchlass als Aussparung an einem linken Rand bildet.
Speicherfasermembran nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das hygroskopische Material ausgewählt ist aus einer Gruppe, die poröses Glas, keramischen Schaum, Metallschaum, Metallpulver, poröse Kunststoffe, Calciumsilikat und Kunststofffasern umfasst.
Speicherfasermembran nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (12) aus einem Kunststoff gebildet ist.
Speicherfasermembran nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff durch Polytetrafluorethylen gebildet ist.
Speicherfasermembran nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die randständigen Lagen (10) der Membran mit einer Faserrichtung (13) ausgestattet sind, die senkrecht zu deren Grundfläche orientiert ist.
Speicherfasermembran nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mittige Lage (11) der Membran mit einer Faserrichtung (13) ausgestattet sind, die parallel zu deren Grundfläche orientiert ist.
Membranbefeuchter mit mindestens einer Speicherfasermembran nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Membranbefeuchter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Anodenabgasleitung ein Wasserabscheider (5) angeordnet ist, der mit einer Kathodenabgasleitung stromauf des Befeuchters (6) strömungsmechanisch verbunden ist.
Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 9.