DE19531852C1 - Brennstoffzelle mit Entwässerungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle mit einem Entwässerungssystem.

Eine Brennstoffzelle mit Entwässerungssystem ist aus der Offenlegungsschrift DE 39 07 819 A1 und der Veröf­ fentlichung "Pem (polymer-electrolyte-membrane) Fuel Cells for Passive Operation, O. Adlhart" bekannt. Es handelt sich hierbei um eine PEM-Brennstoffzelle im "dead end"-Betrieb mit einer internen Befeuchtung und einem speziellen Entwässerungssystem.

Das Produktwasser, also Wasser oder Wasserdampf, wird auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle im Blockbe­ trieb über ein Dochtsystem zu einer Gas/Wasser-Separa­ tionsmembran geleitet (Stofftransport). Diese Gas/Wasser-Separationsmembran steht unter Sauerstoff­ druck und läßt nur das Produktwasser passieren.

Die bekannte Vorrichtung weist den Nachteil auf, daß durch Verunreinigungen der einzelnen Brennstoffzellen­ komponenten sich die Poren zusetzen können und somit die Entwässerung des jeweiligen Zellenblocks verhindert wird. Dies führt zu einer Abnahme der Leistungsfähig­ keit der Brennstoffzelle durch verminderten Stofftrans­ port. Ein weiterer Nachteil ist die Verwendung eines Dochtsystems, der den Austausch einzelner Brennstoff­ zellen sehr aufwendig macht.

Aus der DE 40 27 655 C1 ist eine Brennstoffzelle bekannt, bei der Wasserstoff und Sauerstoff im Kreislauf geführt wird. In jedem Kreislauf befindet sich u. a. ein Be­ feuchter, der das Gas vor Eintritt in die Zelle auf den erforderlichen Wassergehalt einstellt.

Auf der Kathodenseite ist nach der Zelle ein Wasserab­ scheider vorgesehen, der das angefallene Reaktions- und Transferwasser aufnimmt. Während des Betriebes kann das im Wasserabscheider aufgefangene Produktwasser über ei­ nen Hahn abgelassen werden.

Bei dieser bekannten Vorrichtung führt der Einsatz ei­ nes Wasserabscheiders, durch den das Gas geleitet wird, nicht zu Gasverlusten, da diese im Kreislauf geführt werden. Die Kreislaufführung erfordert jedoch im Unter­ schied zum "dead-end"-Betrieb eine externe Befeuchtung.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Brenn­ stoffzelle, bei der einerseits auf einfache Weise das Problem bezüglich des entstehenden Produktwassers gelöst wird und bei der andererseits eine externe Befeuchtung entbehrlich ist.

Die Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Aus­ gestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das Wasser oder der wasserhaltige Dampf wird in einen Wasserabscheider geleitet und kondensiert dort. Hier­ durch wird der Einsatz eines aufwendigen Dochtsystems vermieden.

Als Mittel zum Transport des Wassers oder des wasser­ haltigen Dampfes kann eine Rohrverbindung, eine Pump­ vorrichtung oder vorteilhafter im einfachsten Fall eine Bohrung zur Wasser- oder Wasserdampfableitung dienen.

Der Wasserabscheider weist eine Regeleinrichtung in Form eines Ventils (6) auf, das eine automatische Ent­ leerung des Wasserabscheiders (2) bewirkt. Es kann ein kommerziell erhältlicher Wasserabscheider mit Schwim­ merventil eingesetzt werden, das sich öffnet, sobald eine genügende Menge an Kondensat(-wasser) auftritt.

Bei dem Wasser- oder Wasserdampftransport kommt es zu einem Sauerstoffaustritt. Daher ist ferner eine Regel­ einrichtung zur Regelung des Wasser- oder Wasserdampf­ austritts vorgesehen. Diese kann sich sowohl vor als auch nach dem Wasserabscheider befinden. Hierbei hat sich der Einsatz eines preiswerten Nadelventils als vorteilhaft erwiesen, das automatisiert werden kann und einen regulierten Wasser- oder Wasserdampf/Gasausstrom ermöglicht. Der Verlust an Sauerstoff kann so mini­ miert werden.

Es hat sich gezeigt, daß der Sauerstoffverlust durch die automatisierte Regulierung vernachlässigbar klein ist. Bei der Zelle ist daher praktisch ein "dead-end"- Betrieb möglich, so daß eine externe Befeuchtung ent­ behrlich ist.

Ausführungsbeispiel

Fig. 1 zeigt eine PEM-Brennstoffzelle 1 mit Entwässe­ rungssystem.

Fig. 2 zeigt einen Wasserabscheider 2 mit automati­ scher Wasser/Kondensatentleerung.

Fig. 1 zeigt eine PEM-Brennstoffzelle (1) mit einem Was­ serabscheider (2) als Entwässerungssystem. Im oberen Teil der Brennstoffzelle (1) finden sich die Zuleitungen für Sauerstoff (3) und für Wasserstoff (4). Das als Produkt der Verbrennung dieser Gase entstehende Wasser wird über eine Bohrung (5) aus der Brennstoffzelle (1) abgelei­ tet. Die Ableitung des Wassers oder des Wasserdampfes erfolgt mittels eines Gas(O₂)-Ausstroms. Am Ausgang der Bohrung (5) ist der Wasserabscheider (2) montiert. Hierin wird das Wasser gesammelt. Der Wasserabscheider (2) wird über ein Schwimmerventil (6) automatisch entleert. Der Wasserabscheider (2) ist mit einem Nadelventil (7) ver­ bunden. Mit diesem Nadelventil (7) kann der Gas(O₂)- Ausstrom eingestellt werden.

Fig. 2 zeigt den Wasserabscheider (2) mit automatischer Kondensat(wasser)entleerung. Hierbei stellt die Boh­ rung (5) die Zuleitung des Wassers oder des Wasserdampfes in den Wasserabscheider (2) dar. Die Ableitung (8) des Gas(O₂)-Ausstroms befindet sich im oberen Teil des Was­ serabscheiders (2). Das Schwimmerventil (6) öffnet sich au­ tomatisch, sobald ein Schwimmer (9) durch eine genügende Menge an (Kondensat-)wasser hochgedrückt wird.

Claims (4)

1. Brennstoffzelle mit Entwässerungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle (1) über Mittel zum Transport (5) von Wasser oder Wasserdampf mit einem Wasserab­ scheider (2) verbunden ist, der über eine Regelein­ richtung in Form eines Ventils (6) verfügt, das die automatische Entleerung des Wasserabscheiders (2) bewirkt und eine Einrichtung (7) zur Regelung des Gas-Ausstroms aufweist.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zum Transport (5) eine Bohrung vorgesehen ist.

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Regeleinrichtung für die Entleerung bildende Ventil ein Schwimmerventil (6) ist.

4. Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Regelung des Gas-Ausstromes aus dem Wasserabscheider (2) aus einem Nadelventil (7) besteht.