DE19809575A1 - Brennstoff-Element mit einem festen Polymer-Elektrolyten - Google Patents

Brennstoff-Element mit einem festen Polymer-Elektrolyten

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoff-Element mit einem festen Polymer- Elektrolyten, in dem eine feste Polymer-Membran zum Erhalt elektrischer Energie mittels einer elektrochemischen Reaktion verwendet wird. Die Erfindung betrifft insbesondere die Struktur des Luft-Strömungsweges bei Verwendung von Luft als Oxidationsmittel-Gas.
Fig. 5 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die den Grundaufbau eines Brennstoff-Elements als Einheit zur Erzeugung einer Minimal-Energie eines Brennstoff- Elements mit einem festen Polymer-Elektrolyten zeigt, wie er allgemein Anwendung findet. Katalysatorschichten 21, die ein Edelmetall enthalten, welches vornehmlich Platin ist, sind mit den beiden Oberflächen einer Elektrolyt-Membran 20 verbunden, die aus einer festen Polymer-Membran besteht, wodurch eine Membran-Elektroden-Anordnung gebildet wird. Diffusionsschichten 22 sind auf den beiden Außenflächen der Membran- Elektroden-Anordnung angeordnet. Diese spielen die Rolle, daß sie den Durchtritt entwe­ der eines Brennstoff-Gases oder eines Oxidationsmittel-Gases zu den Katalysatorschichten 21 erlauben, wobei sie die Funktion übernehmen, einen elektrischen Strom nach außen zu liefern. Sie sind zwischen für Gas undurchlässigen Separatoren 23 angeordnet, wodurch eine Zelle bzw. ein Element gebildet wird.
In einem Beispiel der Struktur gemäß Fig. 5 werden die Oberflächen der Separatoren 23, die den jeweiligen Diffusionsschichten 22 gegenüberliegen, in gerippter Struktur ausgebil­ det, in der entweder ein Brennstoff-Gas oder ein Oxidationsmittel-Gas durch die Rillen zwischen den Rippen fließt. Eine große Zahl von Brennstoff-Elementen, die die vor­ stehend beschriebene Struktur aufweisen, werden aufeinanderlaminiert und bilden einen Brennstoff-Element-Stapel, der als Batteriekörper eines Brennstoff-Elements mit einem festen Polymer-Elektrolyten verwendet wird.
Die feste Polymer-Membran zur Verwendung als Elektrolyt-Membran 20 ist mit Wasser gesättigt, wodurch der spezifische Widerstand der Membran gesenkt wird. Dadurch kann diese als für Protonen leitfähiger Elektrolyt fungieren. Um die Effizienz der Energieerzeu­ gung auf einem hohen Wert zu halten, muß daher der Wassergehalt der Membran in einem gesättigten Zustand gehalten werden. Im Hinblick darauf wurde ein Verfahren angewendet, in dem Wasser einem Reaktivgas zugeführt wird, um ein Gas mit hoher Feuchtigkeit zu liefern, welches anschließend einem Brennstoff-Element zugeleitet wurde, um die Verdampfung von Wasser aus der Membran zu unterdrücken und dadurch zu verhindern, daß die Membran austrocknet.
Fig. 6 ist ein grundlegendes System-Diagramm, das Beispiele des Reaktivgas-Systems und Kühlwasser-Systems eines herkömmlichen Brennstoff-Elements mit einem festen Polymer-Elektrolyten zeigt. Luft, die dem Stapel 1 als Oxidationsmittel zugeleitet werden soll, wird vor dem Einleiten in den Stapel mittels eines Luftgebläses 2 unter erhöhten Druck gesetzt. Die Luft wird in einem Befeuchter-Abschnitt 4, der an dem Stapel 1 befestigt ist, mit Feuchtigkeit gemischt und anschließend der Luft-Elektrode jedes Ele­ ments zugeleitet. In dem Befeuchter-Abschnitt 4 wird beispielsweise ein Verfahren angewendet, in dem man Luft und Kühlwasser jeweils entlang der beiden Flächen einer dünnen, für Wasser durchlässigen Membran strömen läßt, um die Luft zu befeuchten. Ein Teil des Sauerstoffs der Luft wird in den Katalysatorschichten eines Elements unter Bildung von Wasser reduziert. Luft, die gebildetes Wasser enthält und aus dem Stapel 1 abgelassen wird, wird einem Kühler 6 zugeleitet, um überschüssiges Wasser zurück­ zugewinnen, und wird anschließend aus dem System abgelassen.
Andererseits wird das Brennstoff-Gas, das von einer Brennstoff-Zuleitungsquelle 3 wie beispielsweise einem Hochdruck-Wasserstoff-Tank oder einer Brennstoff-Rückgewinnungs- Einheit zugeleitet wird, der Brennstoff-Elektrode jeder Zelle des Stapels 1 zugeleitet. Das Brennstoff-Gas kann durch den Befeuchter-Abschnitt 4, der an dem Stapel 1 befestigt ist, hindurchgeleitet werden oder kann durch diesen Abschnitt nicht hindurchgeleitet werden. Um die in dem Stapel 1 durch die Batterie-Reaktion erzeugte Wärme zu entfernen, wird ein Kühlwasser-Zirkulationssystem vorgesehen, in dem eine Kühleinheit 5 zum Kühlen des Kühlwassers durch Wärmeaustausch und eine Pumpe 7 zum Zuleiten des Kühlwassers zu dem Stapel 1 eingebaut sind. Darüber hinaus ist anzumerken, daß es Fälle gibt, in denen ein Kühlwasser-Tank vorgesehen ist, obwohl dieser nicht in das in Fig. 6 gezeigte System eingeschlossen ist.
Fig. 7 ist ein grundlegendes System-Diagramm eines Beispiels einer anderen Struktur des Reaktivgas-Systems eines herkömmlichen Brennstoff-Elements mit einem festen Polymer- Elektrolyten. In dieser Struktur wird die Ableitung der in dem Stapel 1 erzeugten Wärme durch Luftkühlung mit einem Kühl-Lüfter 9 bewirkt. Da diese Struktur nicht mit einem Kühlwasser-System versehen ist, wird unter erhöhten Druck gesetzte und durch ein Luftzufuhr-Gebläse 2 zugeführte Luft aus dem System abgelassen, ohne daß gebildetes Wasser zurückgewonnen wird.
Wie oben beschrieben, wird in herkömmlichen Brennstoff-Elementen mit einem festen Polymer-Elektrolyten eine Verfahrensweise angewendet, in der in dem Stapel 1 erzeugte Wärme durch Wasserkühlung oder Luftkühlung entfernt wird, um eine vorbestimmte Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten.
In dem Verfahren, in dem eine Kühlung mit Kühlwasser bewirkt wird, muß jedoch ein Kühlwasser-System vorgesehen werden, das eine Kühleinheit 5 und eine Pumpe 7 ein­ schließt, die in dieses System eingebaut sind. In dem Fall, in dem das Kühlwasser- Systems zur Durchführung eines Langzeitbetriebs verwendet wird, muß die Leitfähigkeit des Kühlwassers bei oder unter einem vorbestimmten Wert gehalten werden, um einen Kurzschluß zwischen den Brennstoff-Elementen zu vermeiden. Aus diesem Grund muß eine Deionisations-Einheit (ein Ionenaustauscher-Harz), die in Fig. 6 nicht gezeigt ist, in das System eingebaut werden. Dies schließt in nachteiliger Weise eine Erhöhung der Zahl der Einheiten ein, die zusätzlich zu dem Brennstoffzellen-Stapel installiert sind, was das Gewicht und die Kosten des Systems erhöht.
Andererseits benötigt das Luftkühl-Verfahren ein Kühlwasser-System, wie es oben beschrieben wurde, nicht, erfordert jedoch die Anwendung eines Lüfters mit großer Kapazität zur Einleitung einer großen Menge an Luft, da das Kühlvermögen von Luft schlecht ist, verglichen mit demjenigen von Wasser. Dementsprechend erhöht sich die erforderliche Antriebskraft für diese Hilfsanlage, was das Problem einschließt, daß sie nicht in der Lage ist, die Effizienz der Energieerzeugung zu erhöhen. Da außerdem das Luftkühl-Verfahren ein schlechtes Kühlvermögen aufweist, besteht die Schwierigkeit, eine hohe Energieabgabedichte des Stapels sicherzustellen, was den Nachteil einschließt, daß eine Miniaturisierung des Stapels natürlich schwierig ist.
Eine vornehmliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein leichtgewichtiges und preiswertes Brennstoff-Element mit einem festen Polymer-Elektrolyten zu schaffen, in dem ein Stapel effizient gekühlt wird, und dies selbst ohne die Verwendung eines her­ kömmlichen Kühlwasser-Systems, um dem Erfordernis einer hohen Energieabgabedichte Rechnung zu tragen.
Überraschend wurde erfindungsgemäß gefunden, daß diese Aufgabe mit einer Struktur eines Brennstoff-Elements mit einem festen Polymer-Elektrolyten gelöst werden kann, in dem insbesondere die Struktur des Strömungsweges von Luft für die Verwendung als Oxidationsmittel-Gas verbessert ist.
Die Erfindung betrifft ein Brennstoff-Element mit einem festen Polymer-Elektrolyten, das einen Brennstoff-Element-Stapel umfaßt, der durch Laminieren einer Mehrzahl von Brenn­ stoff-Elementen erhalten wird, von denen jedes einschließt:
  • - eine Membran-Elektroden-Anordnung, die durch Verbinden einer Katalysator­ schicht für ein Brennstoff-Gas und einer Katalysatorschicht für Luft mit den jeweiligen Oberflächen einer festen Polymer-Elektrolyt-Membran gebildet wird;
  • - Diffusionsschichten, die die Membran-Elektroden-Anordnung zwischen sich angeordnet aufweisen;
  • - für Gas undurchlässige Separatoren, die die Diffusionsschichten zwischen sich angeordnet aufweisen; und
  • - die mit einem Kühlgas-Strömungsweg für Luft, der hermetisch entfernt von der Katalysatorschicht für Luft ist, und einem Reaktionsgas-Strömungsweg für Luft versehen sind, die entlang der Katalysatorschicht für Luft streicht.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das Brennstoff-Element mit einem festen Polymer-Elektrolyten mit einem Kreislauf versehen sein, in dem man Luft, die vorher mit Wasser gemischt wurde, durch den Kühlgas-Strömungsweg für Luft strömen läßt und an­ schließend durch den Reaktionsgas-Strömungsweg für Luft strömen läßt.
Kondensiertes Wasser, das erhalten wurde durch Kondensieren von Luft, die durch den Reaktionsgas-Strömungsweg für Luft geströmt ist, kann der Luft zugesetzt werden, die man durch den Kühlgas-Strömungsweg für Luft strömen läßt, um dieses Wasser im Kreislauf zu führen.
Kondensiertes Wasser, das erhalten wurde durch Kondensieren von Luft, die durch den Kühlgas-Strömungsweg für Luft geströmt ist, kann der Luft zugesetzt werden, die man durch den Kühlgas-Strömungsweg für Luft strömen läßt, um dieses Wasser im Kreislauf zu führen.
Kondensiertes Wasser, das erhalten wurde durch Kondensieren von Luft, die durch den Reaktionsgas-Strömungsweg für Luft geströmt ist, kann der Luft zugesetzt werden, die man durch den Kühlgas-Strömungsweg für Luft strömen läßt, um dieses Wasser im Kreislauf zu führen.
Die obigen und andere Aufgaben, Wirkungen und Merkmale sowie Vorteile der vor­ liegenden Erfindung werden für Fachleute in diesem technischen Bereich noch mehr offenbar aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, zu­ sammengenommen mit den beigefügten Figuren.
Fig. 1 ist ein grundlegendes System-Diagramm, das die Struktur eines Reaktionsgas- Systems in Beispiel 1 des Brennstoff-Elements mit einem festen Polymer-Elektrolyten gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 2 ist ein Modell-Diagramm, das den Luftstrom in einem Stapel zeigt.
Fig. 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Zellabschnitts, aufgenommen entlang der Ebene III-III von Fig. 2.
Fig. 4 ist ein Modell-Diagramm, das den Luftstrom in einem Stapel gemaß Beispiel 2 des Brennstoff-Elements mit festem Polymer-Elektrolyten gemäß der vorliegenden Erfin­ dung zeigt.
Fig. 5 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die die Grundstruktur einer Zelle eines Brennstoff-Elements mit einem festen Polymer-Elektrolyten zeigt, wie er allgemein angewendet wird.
Fig. 6 ist ein Grundsystem-Diagramm, das herkömmliche Beispiele eines Reaktionsgas- Systems und eines Kühlwasser-Systems in einer Brennstoffzelle mit einem festen Polymer- Elektrolyten zeigt.
Fig. 7 ist ein Grundsystem-Diagramm eines weiteren herkömmlichen Beispiels eines Re­ aktionsgas-Systems in einem Brennstoff-Element mit einem festen Polymer-Elektrolyten.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand ihrer bevorzugten Ausführungsformen im einzelnen beschrieben. Diese sollen jedoch nicht als beschränkend verstanden werden.
In Übereinstimmung mit dem Brennstoff-Element mit einem festen Polymer-Elektrolyten gemäß der vorliegenden Erfindung läßt man Luft durch einen Kühlgas-Strömungsweg für Luft strömen, der in einem Brennstoff-Element-Stapel vorgesehen ist, um den Stapel zu kühlen. Die Luft läßt man anschließend durch einen Reaktionsgas-Strömungsweg für Luft strömen, um eine elektrochemische Reaktion ablaufen zu lassen. Mit dieser Anordnung kann der Stapel bei einer hohen Effizienz des Kühlschrittes noch weiter miniaturisiert werden, da der Kühlgas-Strömungsweg für Luft in dem Stapel angeordnet ist, der durch Luftkühlung gekühlt wird. Insbesondere nimmt deswegen, weil Luft, die vorher mit Wasser gemischt wurde, zugeführt und angeströmt wird, flüssiges und in Form feiner kleiner Teilchen versprühtes Wasser, das in der Luft enthalten ist, Wärme aus dem Stapel während des Durchströmens der Luft durch den Kühlgas-Strömungsweg für Luft auf und wird zum Teil oder vollständig verdampft. Dadurch wird der Stapel wirksam aufgrund der latenten Verdampfungswärme des Wassers gekühlt, während gleichzeitig die Luft, die durch den Reaktionsgas-Strömungsweg für Luft hindurchgeschickt wird, befeuchtet wird.
Wenn das Brennstoff-Element gemäß der vorliegenden Erfindung weiter mit einem Kreislauf versehen ist, in dem kondensiertes Wasser, das erhalten wurde durch Kon­ densieren von Luft, die durch den Reaktionsgas-Strömungsweg für Luft geströmt ist, der Luft zugesetzt wird, die man durch den Kühlgas-Strömungsweg für Luft strömen läßt, um dieses im Kreislauf zu führen, oder mit einem Kreislauf versehen ist, in dem kondensier­ tes Wasser, das erhalten wurde durch Kondensieren von Luft, die durch den Kühlgas- Strömungsweg für Luft geströmt ist und Wasserdampf bei Sättigungsbedingungen enthält, der Luft zugesetzt wird, die man durch den Kühlgas-Strömungsweg für Luft strömen läßt, um dieses im Kreislauf zu führen, oder darüber hinaus weiter mit einem Kreislauf ver­ sehen ist, in dem kondensiertes Wasser, das erhalten wurde durch Kondensieren von Luft, die durch den Reaktionsgas-Strömungsweg für Luft geströmt ist, der Luft zugesetzt wird, die man durch den Kühlgas-Strömungsweg für Luft strömen läßt, um dieses im Kreislauf zu führen, kann Wasser wirksam genutzt werden, um eine Miniaturisierung der Wasser- Zufuhreinheit möglich zu machen.
Beispiel 1
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist der Aufbau dieses Beispiels derart, daß man Luft, die aus einem Luftzufuhr-Gebläse 2 zugeführt wird und der Wasser über eine Wasser-Zufuhr­ einheit 8 zugegeben wird, zuerst durch einen Kühlgas-Strömungsweg 11 für Luft strömen läßt, der im Inneren eines Stapels 1 ausgebildet ist, um zur Kühlung des Stapels 1 ver­ wendet zu werden. Man läßt dann die Luft wieder durch einen Reaktionsgas-Strömungs­ weg 12 für Luft innerhalb des Stapels 1 strömen, damit sie für die Reaktion zur Erzeu­ gung von Energie verwendet wird. Außerdem wird Luft, die aus dem Stapel 1 nach Beitragen zu der Reaktion zur Erzeugung von Energie abgelassen wird, in einem Kühler 6A gekühlt und wird dadurch von Wasser befreit. Sie wird anschließend aus dem System abgelassen. In dem Kühler 6A erhaltenes Kondenswasser wird im Kreislauf geführt und der Wasser-Zufuhreinheit 8 zugeleitet, damit es erneut zur Zufuhr von Wasser zu der zuzuleitenden Luft verwendet werden kann.
Ein beispielsweise in Gebrauch befindlicher Stapel 1 ist ein Stapel mit einer Gleichstrom- Abgabe-Leistung von 1 kW, in dem 12 Zellen mit einer Elektrodenfläche von 300 cm2 in Laminatform gestapelt sind. Dieser wird unter üblichem Druck bei einer Stromdichte von 0,4 A/cm2 und einer Zellspannung von 0,7 V betrieben. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird Luft, die flüssiges oder in feine kleine Teilchen versprühtes Wasser enthält, über einen Kühlluft-Einlaßverteiler 14 zugeleitet. Man läßt sie anschließend durch das Innere des Stapels 1 strömen, so daß sie einen Kühlluft-Auslaßverteiler 15 erreicht. Die Luft wird anschließend wieder über einen Reaktionsluft-Einlaß 16 in das Innere des Stapels geleitet, wonach sie als Reaktionsluft zur Reaktion zur Energieerzeugung beiträgt, wonach sie über einen Reaktionsgas-Auslaß 17 abgelassen wird.
Wie in der vergrößerten Querschnittsansicht von Fig. 3 gezeigt ist, ist der Stapel 1 in der Weise aufgebaut, daß zwei wellenartige Separatoren 19, die aus einem für Gas undurch­ lässigen Material hergestellt sind, an den beiden Oberflächen jeder Membran-Elektroden- Anordnung 18 angeordnet sind, die durch jeweiliges Anbringen von Katalysatorschichten an den beiden Oberflächen einer festen Polymer-Elektrolyt-Membran gebildet wurde. Diese Anordnung bildet einen Brennstoffgas-Strömungsweg 13 auf der Katalysatorschicht- Seite einer Brennstoff-Elektrode der Membran-Elektroden-Anordnung 18 und einen Reaktionsgas-Strömungsweg 12 für Luft auf der Katalysatorschicht-Seite einer Luft- Elektrode, wobei die Anordnung weiter einen Kühlgas-Strömungsweg 11 für Luft zwi­ schen den beiden Separatoren 19 mit gewisser Entfernung von der Membran-Elektroden- Anordnung 18 ausbildet.
Die Strömungsgeschwindigkeit der Reaktionsluft, die zur Sicherung eines Wertes der Gleichstrom-Abgabeleistung von 1 kW erforderlich ist, beträgt 6,3 × 10-2 m3/min, wenn dieser Stapel 1 bei einer Luftnutzung von 40% betrieben wird. Wenn die Temperaturdif­ ferenz zwischen der Kühlluft und den Zellen auf 30 K festgelegt wird, wird die Menge an Wärme, die zu einer Erhöhung der Temperatur der Luft um 30 K bei dieser Strömungs­ geschwindigkeit verbraucht wird, mit etwa 40 W berechnet, d. h. 11 mW/cm2 pro Flächen­ einheit der Elektrode. Die Menge der Verdampfungswärme des Wassers, das durch eine elektrochemische Reaktion gebildet wird, wird mit etwa 90 mW/cm2 pro Flächeneinheit der Elektrode berechnet. Wenn beide Beträge aufsummiert werden, beträgt die erforderli­ che Wärmemenge für diesen Vorgang 0, 1 W/cm2. Dieser Betrag ist unzureichend für den Wärmeverbrauch, der in einer Menge von 0,31 W/cm2 in dem Stapel 1 erzeugt wird.
Wenn andererseits bei dieser Struktur der hydraulische Durchmesser des Kühlgas-Strö­ mungsweges 11 für Luft beispielsweise 1 mm ist, die Temperaturdifferenz zwischen der Kühlluft und den Zellen 30 K beträgt, die Nusselt-Zahl 3,6 ist und die Wärmeleitfähigkeit von Luft 27,5 × 10-3 W/mK beträgt, bemißt sich das Kühlvermögen pro Flächeneinheit auf etwa 0,3 W/cm2. Da die Menge der erzeugten Wärme, wie oben erwähnt, 0,31 W/cm2 beträgt, wird das Kühlvermögen im wesentlichen gleich der Menge an erzeugter Wärme. Da das berechnete Kühlvermögen dem Grenz-Kühlvermögen in einem Zustand laminarer Strömung mit exzellenten Wärmeübergangs-Eigenschaften entspricht, ist jedoch das tatsächlich gesicherte Kühlvermögen auf einen niedrigeren Wert beschränkt. Mit anderen Worten: Es besteht eine Schwierigkeit darin, den Stapel 1 bei einer vorbestimmten Temperatur zu halten, wenn man die in dem Stapel 1 erzeugte Wärme von 0,31 W/cm2 nur mit der Kühlluft entfernt, die durch den Kühlgas-Strömungsweg 11 für Luft strömt.
Im Gegensatz dazu führt gemäß dem Aufbau dieses Beispiels deswegen, weil Luft, der Wasser durch die Wasser-Zufuhreinheit 8 zugegeben wurde, in den Kühlgas-Strömungs­ weg 11 für Luft eingeführt wird, um dadurch gekühlt zu werden, die Verdampfungs­ wärme des flüssigen oder in feine kleine Teilchen zerstäubten Wassers, das in der Luft enthalten ist, wirksam zu einer Entfernung von Wärme in dem Stapel 1, die in einer Menge von 0,31 W/cm2 erzeugt wurde. Genauer gesagt wird dann, wenn Wasser, dessen Menge etwa das 2,3-fache der gebildeten Wassermenge beträgt, vorab zugesetzt und der Luft aus der Wasser-Zufuhreinheit 8 zugeführt wird, die in dem Stapel 1 erzeugte Wärme­ menge durch die Verdampfungswärme des gebildeten Wassers und des der Luft zugesetz­ ten Wassers sowie durch eine Erhöhung der Temperatur der Reaktionsluft bei einer vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit absorbiert, wodurch der Stapel bei einer vorbestimmten Temperatur gehalten werden kann. Es ist darüber hinaus festzustellen, daß in diesem Fall der Partialdruck von Wasserdampf am Reaktionsluft-Einlaß 16 27,3 kPa beträgt und der Partialdruck von Wasserdampf am Reaktionsluft-Auslaß 17 37,0 kPa beträgt.
Mit diesem Aufbau ist es möglich, den Stapel selbst ohne Verwendung eines groß ausge­ legten Systems wie beispielsweise eines herkömmlichen Kühlwasser-Systems effizient zu kühlen. Dies ermöglicht es, daß ein leichtes und preiswertes Brennstoff-Element mit einem festen Polymer-Elektrolyten erhalten werden kann. Eine weitere Erhöhung der-der Luft aus der Wasser-Zufuhreinheit 8 zuzusetzenden Wassermenge kann das Kühlvermögen verbessern und damit ermöglichen, daß das Erfordernis der Bereitstellung eines Brenn­ stoff-Elements mit hoher Energieabgabedichte erfüllt wird.
Beispiel 2
Fig. 4 ist ein Modell-Diagramm, das den Luftstrom in einem Stapel von Beispiel 2 des Brennstoff-Elements mit einem festen Polymer-Elektrolyten gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Struktur eines Reaktionsgas-Systems gemäß diesem Beispiel ist grundsätzlich dieselbe wie bei dem Reaktionsgas-System des in Fig. 1 gezeigten Beispiels 1, mit der Ausnahme des Stapelabschnitts. Luft, die durch ein Luftzufuhr-Gebläse zugeleitet wird, wird unter Verwendung einer Wasser-Zufuhreinheit mit Wasser gemischt. Man läßt dann die Luft durch einen Kühlgas-Strömungsweg für Luft strömen, der im Inneren des Stapels angeord­ net ist, um den Stapel zu kühlen.
Danach läßt man die resultierende Luft durch einen Reaktionsgas-Strömungsweg strömen, der im Inneren des Stapels angeordnet ist, damit die Luft für eine Reaktion zur Energieer­ zeugung verwendet wird. Wasser, das in der Luft enthalten ist, die aus dem Stapel nach dem Beitrag zur Reaktion zur Energieerzeugung abgelassen wird, wird in einem Kühler kondensiert. Das Wasser wird der Wasser-Zufuhreinheit zugeleitet, damit es erneut zur Zufuhr von Wasser zu Luft verwendet werden kann, die eingeleitet wird.
Der Unterschied zwischen dem vorliegenden Beispiel 2 und dem Beispiel 1 liegt in dem Aufbau des Luft-Strömungsweges in dem Stapel. Im vorliegenden Beispiel läßt man Kühlluft, die flüssiges oder in feine kleine Teilchen versprühtes Wasser enthält und dem Kühlluft-Einlaßverteiler 14A des Stapels 1A zugeleitet wird, durch einen Kühlgas-Strö­ mungsweg für Luft strömen, damit sie Wärme absorbiert, die durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt wird, wodurch der Stapel 1A gekühlt wird. Dabei wird die Luft erwärmt und auf eine erhöhte Temperatur angehoben. Bei diesem Schritt wird ein Teil des Wassers verdampft und befeuchtet die Luft, während der Rest des Wassers in einem Kühlluft- Auslaßverteiler 15A kondensiert wird und in flüssiger Form gespeichert wird. Befeuchtete Luft wird einem Reaktionsgas-Strömungsweg für Luft über einen Zufuhr-Einlaß zu­ geleitet, der in dem Kühlluft-Auslaßverteiler 15A vorgesehen ist. Nach Beitrag zu der elektrochemischen Reaktion in dem Stapel wird Luft als Luftabgas aus dem Stapel 1A abgelassen und einem Kühler zugeleitet, der auf der Rückseite angeordnet ist.
Andererseits wird kondensiertes Wasser, das in dem Kühlluft-Auslaßverteiler ISA gespei­ chert ist, mittels einer Pumpe 24 dem Kühlluft-Einlaßverteiler 14A zugeleitet. Von diesem läßt man kondensiertes Wasser wieder zusammen mit zugeführter Kühlluft durch den Kühlgas-Strömungsweg für Luft strömen, damit das Wasser erneut zum Kühlen des Stapels 1A und zur Befeuchtung der Reaktionsluft verwendet werden kann.
Bei diesem Aufbau wird die Temperatur des Stapels 1A mit der Strömungsgeschwindigkeit der zugeführten Kühlluft eingestellt. Der Grad der Befeuchtung des Reaktionsgases stellt sich automatisch über den Sättigungsdampfdruck im Inneren des Kühlluft-Auslaßverteilers 15A ein, d. h. über die Temperatur des Stapels 1A.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann deswegen, weil das Brennstoff-Element mit einem festen Polymer-Elektrolyten in der vorstehend beschriebenen Weise aufgebaut ist, der Stapel im Rahmen eines kompakten Systems gekühlt werden, das eine hohe Kühleffi­ zienz aufweist. Darin wird die latente Verdampfungswärme des Wassers in wirksamer Weise genutzt. Demgemäß kann ein leichtes und preiswertes Brennstoff-Element mit einem festen Polymer-Elektrolyten erhalten werden, mit dem es möglich ist, dem Erfor­ dernis einer hohen Energieabgabedichte Rechnung zu tragen. Darüber hinaus kann deswegen, weil Wasser in derart effizienter Weise verwendet wird, daß die Wasser- Zufuhreinheit miniaturisiert werden kann, das Brennstoff-Element mit einem festen Polymer-Elektrolyten in bevorzugter Weise leicht und preiswert sein und kann dem Erfordernis einer hohen Energieabgabedichte Rechnung tragen.
Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend im einzelnen und unter Bezugnahme auf ihre verschiedenen Ausführungsformen beschrieben. Es wird jedoch aus der vorgehenden Beschreibung für Fachleute in diesem Bereich der Technik klar, daß Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung ab­ zuweichen.

Claims (5)

1. Brennstoff-Element mit einem festen Polymer-Elektrolyten, umfassend einen Brenn­ stoff-Element-Stapel (1), der erhalten wird durch Laminieren einer Mehrzahl von Brenn­ stoff-Elementen, von denen jedes einschließt:
  • - eine Membran-Elektroden-Anordnung (18), die gebildet wird durch Verbinden einer Katalysatorschicht für ein Brennstoff-Gas und einer Katalysatorschicht für Luft mit den jeweiligen Oberflächen einer festen Polymer-Elektrolyt-Mem­ bran;
  • - Diffusionsschichten, die die Membran-Elektroden-Anordnung (18) zwischen sich angeordnet aufweisen;
  • - für Gas undurchlässige Separatoren, die die Diffusionsschichten zwischen sich angeordnet aufweisen; und
  • - die mit einem Kühlgas-Strömungsweg (11) für Luft, der hermetisch entfernt von der Katalysatorschicht für Luft ist, und einem Reaktionsgas-Strömungsweg (12) für Luft versehen sind, die entlang der Katalysatorschicht für Luft streicht.
2. Brennstoff-Element mit einem festen Polymer-Elektrolyten nach Anspruch 1, welches mit einem Kreislauf versehen ist, in dem man Luft, die vorher mit Wasser gemischt wurde, durch den Kühlgas-Strömungsweg (11) für Luft strömen läßt und anschließend durch den Reaktionsgas-Strömungsweg (12) für Luft strömen läßt.
3. Brennstoff-Element mit einem festen Polymer-Elektrolyten nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, welches mit einem Kreislauf versehen ist, in dem kondensiertes Wasser, das durch Kondensieren von Luft erhalten wird, die durch den Reaktionsgas-Strömungsweg (12) für Luft strömt, Luft zugesetzt wird, die man durch den Kühlgas-Strömungsweg (11) für Luft strömen läßt, um dieses im Kreislauf zu führen.
4. Brennstoff-Element mit einem festen Polymer-Elektrolyten nach einem der Ansprüche 1 oder 2, welches mit einem Kreislauf versehen ist, in dem kondensiertes Wasser, das durch Kondensieren von Luft erhalten wird, die durch den Kühlgas-Strömungsweg (11) für Luft strömt, Luft zugesetzt wird, die man durch den Kühlgas-Strömungsweg (11) für Luft strömen läßt, um dieses im Kreislauf zu führen.
5. Brennstoff-Element mit einem festen Polymer-Elektrolyten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welches mit einem Kreislauf versehen ist, in dem kondensiertes Wasser, das durch Kondensieren von Luft erhalten wird, die durch den Reaktionsgas-Strömungsweg (12) für Luft strömt, Luft zugesetzt wird, die man durch den Kühlgas-Strömungsweg (11) für Luft strömen läßt, um dieses im Kreislauf zu führen.
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