DE19831100A1 - Brennstoffzellensystem vom Festpolymerelektrolyt-Typ - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzel­ lensystem des Festpolymerelektrolyt-Typs.

Wenn das Bedürfnis nach einer Erhöhung des Zuführungsdrucks des einer Brennstoffzelle des Festpolymerelektrolyt-Typs zu­ zuführenden Reaktionsgases bestand, wurde herkömmlich das entweder der Anode oder der Kathode oder beiden zugeführte Reaktionsgas, wobei sich Anode und Kathode durch einen Fest­ polymerelektrolytfilm getrennt gegenüberliegen, unter Verwen­ dung eines ölfreien Verdichters unter Druck gesetzt.

Der Festpolymerelektrolytfilm besteht im allgemeinen aus ei­ nem Ionenaustauscherfilm, der Protonen (Wasserstoffionen) austauschende Gruppen enthält und im wasserhaltigen Zustand als protonenleitender Elektrolyt wirkt. Deshalb wurde das Austrocknen des Festpolymerelektrolytfilms durch Befeuchten des der Anode und Kathode zugeführten Reaktionsgases verhin­ dert und so eine hohe spezifische Leitfähigkeit des Festpoly­ merelektrolytfilms aufrechterhalten sowie die Batterielei­ stung gesteigert.

Die wohlbekannten Schmierverfahren für gleitende Flächen ei­ nes Verdichters, insbesondere eines Kolbenverdichters, schließen ein ölfreies oder Feststoff-Schmierverfahren unter Verwendung eines festen Schmiermittels wie Graphit oder Mo­ lybdändisulfid oder eines festen Schmierfilms (PTFE-Film) mit jeweils einem geringen Reibungskoeffizienten, ein Öl-Schmier­ verfahren unter Verwendung von Öl oder Schmiere sowie ein Wasser-Schmierverfahren unter Verwendung eines Wasserfilms ein.

Bei der vorstehend erwähnten Brennstoffzelle des Festpolymer­ elektrolyt-Typs sinkt aufgrund der Haftung des Ölfilms an den Oberflächen des Elektrolyts, der Anode und der Kathode die Reaktionsaktivität erheblich. Deshalb war für das unter Druck setzen des der Zelle zuzuführenden Reaktionsgases die Verwendung eines ölfreien Verdichters erforderlich.

Der ölfreie Verdichter mit durch ein festes Schmiermittel oder dem PTFE-Film geschmierten Gleitflächen einer Zylinder­ bohrung oder dergleichen weist jedoch die folgenden Probleme auf. Während des Betriebs kann zwischen den Gleitflächen ein Gas austritt auftreten, und der Reibungskoeffizient der Gleit­ flächen ist groß, so daß es schwierig ist, den Oberflächen­ druck (Kompressionsverhältnis) der Gleitflächen zu erhöhen. Zusätzlich muß zur Verhinderung eines Verschleißes der Gleit­ elemente die Gleitgeschwindigkeit, d. h. die Zahl der Umdre­ hungen, verringert werden. Folglich muß zur Gewährleistung einer ausreichenden Zuführungsmenge an Reaktionsgas in die Brennstoffzelle die Größe des Verdichters im Vergleich zum normalen ölgeschmierten Verdichter beträchtlich erhöht sein, was im Vergleich zum normalen ölgeschmierten Verdichter zu einem deutlichen Anstieg der zum Betreiben des Verdichters benötigten Energie führt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brenn­ stoffzellensystem des Festpolymerelektrolyt-Typs mit verrin­ gerter Größe und verringertem Gewicht sowie verbessertem Wir­ kungsgrad bereitzustellen.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brenn­ stoffzellensystems des Festpolymerelektrolyt-Typs wird ein wassergeschmierter Verdichter für die Zuführung des Reakti­ onsgases zur Anode oder Kathode eingesetzt. Durch diese An­ ordnung können die nachstehenden Vorteile beim Betrieb erhal­ ten werden.

Der Oberflächendruck der Gleitflächen, d. h. das Kompressions­ verhältnis und die Zahl der Umdrehungen, kann im Vergleich zum herkömmlichen ölfreien Verdichter mit dem festen Schmier­ mittel oder dem PTFE-Film deutlich erhöht werden, und die Kompressionswirkung wird durch Verringerung des Austritts des Reaktionsgases zwischen den Gleitflächen verbessert. Weiter­ hin bildet sich kein Ölfilm in der Zelle, so daß sich die Batterieleistung nicht verschlechtert. Zudem kann die Größe des Verdichters auf etwa ein Drittel bis die Hälfte des her­ kömmlichen ölfreien Verdichters deutlich verringert werden. Die Verbesserung der Kompressionswirkung sowie die Verringe­ rung des Reibungsverlustes führt zu einer deutlichen Verrin­ gerung der benötigten Antriebsenergie. Daher ist das erfin­ dungsgemäße Brennstoffzellensystem insbesondere bei der Ver­ wendung als Energiequelle zum Betreiben eines Fahrzeugs prak­ tisch, da in diesem Fall dringend eine verringerte Größe, ein verringertes Gewicht sowie ein ökonomischer Betrieb erforder­ lich ist.

Erfindungsgemäß kann die Einrichtung zur Befeuchtung des der Brennstoffzelle zuzuführenden Reaktionsgases, beispielsweise ein Tank oder eine Pumpe, auch als Einrichtung zur Zuführung von Wasser zum wassergeschmierten Verdichter fungieren, wo­ durch eine einfache Anordnung des Systems erreicht wird.

Von den Gleitflächen des wassergeschmierten Verdichters ver­ dampftes Wasser befeuchtet ebenfalls das Reaktionsgas, wo­ durch der Befeuchtungsvorgang für das Reaktionsgas vor der Zuführung zur Brennstoffzelle vereinfacht oder weggelassen und folglich der Wasserverbrauch während des Befeuchtungsvor­ gangs für die Brennstoffzelle verringert oder ausgeschaltet werden kann.

Gemäß einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems des Festpolymerelektrolyt-Typs ist eine der ersten Ausgestaltung entsprechende Anordnung weiter­ hin mit der Anordnung versehen, daß aus einer Gasablaßleitung extrahiertes Wasser in den wassergeschmierten Verdichter zu­ rückgeführt wird.

Im einzelnen enthält aus der Brennstoffzelle abgelassenes Gas den zur Befeuchtung zugefügten Dampf sowie eine große Menge an aus der Batteriereaktion stammendem Wasser. Durch die Ab­ trennung des Wassers vom Gas und dessen Rückführung in den wassergeschmierten Verdichter kann der Zeitraum zwischen den Wasserzuführungen zum wassergeschmierten Verdichter ausge­ dehnt oder die Wasserzuführung zu diesem vollständig unter­ lassen werden. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Brenn­ stoffzellensystem effektiv als in ein Fahrzeug einbaubares Brennstoffzellensystem für die Versorgung eines Fahrzeugan­ triebsmotors mit Energie verwendet werden, also für eine An­ ordnung, die für den Anschluß an eine feststehende Wasserver­ sorgungsquelle ungeeignet ist und eine große Menge Wasser nur schwer fortwährend aufbewahren kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausfüh­ rungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen genauer erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Brennstoffzellensystems des Festpolymerelektrolyt-Typs; und

Fig. 2 ein Diagramm einer weiteren erfindungsgemäßen Ausfüh­ rungsform des Brennstoffzellensystems des Festpolymerelektro­ lyt-Typs.

Beispiele des wassergeschmierten Verdichters schließen ver­ schiedene sich hin- und herbewegende Kolbenverdichter, deren Zylinderbohrungen mit einem Wasserfilm geschmiert werden, so­ wie Kolbenverdichter wie einen Spiralverdichter ein. Weiter­ hin sind darin Gebläse oder dergleichen eingeschlossen. Das Wasser für die Schmierung kann auch Lagern oder dergleichen zugeführt werden.

Eine erste Ausführungsform des Brennstoffzellensystems des Festpolymerelektrolyt-Typs wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert.

Mit dem Bezugszeichen 1 ist eine Brennstoffzelle des Festpo­ lymerelektrolyt-Typs bezeichnet. In der Brennstoffzelle 1 sind eine Anode 12 und eine Kathode 13 mit einem dazwischen befindlichen Festpolymerelektrolyt-Film 11 angeordnet.

Mit den Bezugszeichen 2 und 3 ist jeweils ein wasserge­ schmierter Verdichter bezeichnet. Der Verdichter 2 erhöht den Druck des aus einer (nicht gezeigten) Reformieranlage zuge­ führten Reaktionsgases auf den Reaktionsdruck der Zelle, und der Verdichter 3 erhöht den Druck der von außerhalb des Sy­ stems über einen (nicht gezeigten) Filter zugeführten Luft (als Reaktionsgas) auf den Reaktionsdruck der Zelle. Die vor­ stehend beschriebene Reformieranlage erzeugt aus Methanol und Dampf ein Gemisch aus Wasserstoffgas und Carbonsäuregas als Reaktionsgas. Eine genaue Erläuterung der Reformieranlage wird weggelassen, da die Reformieranlage keinen Hauptbestand­ teil des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems darstellt.

Mit dem Bezugszeichen 4 ist eine Pumpe bezeichnet, welche die Gleitflächen der wassergeschmierten Verdichter 2 und 3 zur Schmierung mit Wasser versorgt. Die Bezugszeichen 5 und 6 be­ zeichnen jeweils einen Wasserabscheider. Die Wasserabscheider 5 und 6 trennen Wassertropfen von dem durch die wasserge­ schmierten Verdichter 2 und 3 unter Druck gesetzten Reakti­ onsgas ab. Das vom Wasserabscheider 5 abgegebene Reaktionsgas wird der Anode 12 zugeführt, während die vom Wasserabscheider 6 abgegebene Luft der Kathode 13 zugeführt wird. In der Zelle 1 reagiert Wasserstoffgas mit Sauerstoffgas unter Bildung von Wasser und bildet sich eine Potentialdifferenz zwischen der Anode 12 und der Kathode 13, wodurch elektrischer Strom er­ zeugt wird.

Von der Anode 12 abgegebenes Reaktionsgas mit verringerter Wasserstoffgas-Konzentration wird in die Reformieranlage ein­ geleitet und anschließend darin verbrannt.

Die von der Kathode 13 abgegebene Luft mit verringerter Sau­ erstoffgas-Konzentration wird in den Wassertank 7 eingelei­ tet. Die von der Kathode 13 abgegebene Luft enthält Wasser, das während der Verdichtung im wassergeschmierten Verdichter 3 zugemischt und in der Zelle 1 in Form von Dampf oder Trop­ fen gebildet wurde. Das in der von der Kathode 13 abgegebenen Luft enthaltene Wasser wird im Wassertank 7 durch den Schwer­ kraftunterschied abgetrennt, und die verbliebene Luft wird aus einem oberen Teil des Wassertanks 7 über ein Luftablaß­ rohr 8 nach außen abgelassen. Mit dem Bezugszeichen 9 ist ein Gebläse zur indirekten Kühlung des Wassertanks 7 und somit zur Förderung der Kondensation des Dampfes bezeichnet.

Das durch die Wasserabscheider 5 und 6 abgetrennte Wasser wird auch durch die Schwerkraft in den Wassertank 7 eingelei­ tet und dort gesammelt. Anschließend wird das im Wassertank 7 befindliche Wasser mittels der Pumpe 4 wieder in die wasser­ geschmierten Verdichter 2 und 3 eingeleitet. Gemäß der vor­ liegenden Ausführungsform wurden Kolbenverdichter als wasser­ geschmierte Verdichter 2 und 3 verwendet. Wahlweise können andere Verdichtertypen eingesetzt werden. Bei diesen wasser­ geschmierten Verdichtern 2 und 3 sprüht beispielsweise die Pumpe 4 zur Bildung des Wasserfilms auf der Oberfläche der Zylinderbohrung Wasser auf das Reaktionsgas vor der Zuführung zur Zylinderbohrung und vermischt somit das Wasser mit dem Reaktionsgas. Wahlweise kann das Wasser aus der Pumpe 4 auf eine innere periphere Oberfläche (Gleitfläche) der Zylinder­ bohrung durch ein dem herkömmlichen Ölzuführverfahren ent­ sprechendes Verfahren gebracht werden.

Bei den Wasserabscheidern 5 und 6 kann die wohlbekannte An­ ordnung der Bereitstellung eines gasdurchlässigen Siebs senk­ recht zur waagrechten Strömungsrichtung des Reaktionsgases für die Abtrennung des Wassers vom Reaktionsgas gewählt wer­ den. Wahlweise kann bei den Wasserabscheidern 5 und 6 die wohlbekannte Zentrifugaltrennstruktur gewählt werden, bei welcher unter Verwendung der kinetischen Energie des aus den wassergeschmierten Verdichtern 2 und 3 zugeführten Reaktions­ gases eine sich schnell drehende Strömung ausgebildet wird, um die Wassertropfen selektiv in zentrifugaler Richtung nach außen zu blasen und somit das Wasser vom Reaktionsgas ab zu­ trennen.

Durch Bereitstellung einer druckverringernden Düse im Luftab­ laßrohr 8 kann der Druck im Inneren des Wassertanks 7 erhöht werden. Durch diese Anordnung kann eine ausreichende Menge Wasser aus dem Wassertank 7 den wassergeschmierten Verdich­ tern 2 und 3 ohne Verwendung der Pumpe 4 zugeführt werden.

Mit dem Brennstoffzellensystem des Festpolymerelektrolyt-Typs gemäß der vorliegenden Ausführungsform können die vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorteile beim Betrieb erhal­ ten werden.

Die Wasserabscheider 5 und 6 stellen keine wesentlichen Kom­ ponenten des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems dar. Wenn das Strömen großer Wassertropfen in die Zelle 1 unter­ bunden werden kann, können die Wasserabscheider 5 und 6 weg­ gelassen werden.

Stromaufwärts oder stromabwärts des Wasserabscheiders 5 oder 6 kann ein Befeuchter bereitgestellt werden. Diese Anordnung ist wirkungsvoll, wenn die Menge des dem Reaktionsgas aus den wassergeschmierten Verdichtern 2 und 3 zugeführten Wassers gering ist. Der Befeuchter kann auch als Wasserabscheider 5 oder 6 fungieren. In diesem Fall kann der Wasserabscheider 5 oder 6 durch den Befeuchter ersetzt werden.

Zudem kann einer der wassergeschmierten Verdichter 2 und 3 durch einen ölfreien Verdichter ersetzt werden.

Nachstehend wird eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert.

Das System gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat einen derartigen Aufbau, daß die Pumpe 4 und das Gebläse 7 aus dem System der in Fig. 1 veranschaulichten ersten Ausführungsform weggelassen sind und Wasser dem Wassertank 7 ohne Sammeln von Wasser aus der von der Brennstoffzelle 1 abgegebenen Luft zu­ geführt und somit ein einfacher Aufbau verwirklicht wird. Das vorliegende System ist wirkungsvoll, wenn Wasser auf einfache Weise dem System von außen zugeführt werden kann.

Obwohl die Erfindung in Verbindung mit den derzeit als am meisten praktikabel und bevorzugt angesehenen Ausführungsfor­ men beschrieben wurde, ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf die offenbarten Ausführungsformen eingeschränkt, sondern soll vielmehr verschiedene Modifikationen und äquiva­ lente Ausgestaltungen abdecken, welche im Geist und Umfang der beigefügten Ansprüche eingeschlossen sind.

Wie vorstehend beschrieben weist das erfindungsgemäße Brenn­ stoffzellensystem des Festpolymerelektrolyt-Typs mit verrin­ gertem Gewicht und verringerter Größe einen verbesserten Wir­ kungsgrad auf. Ein wassergeschmierter Verdichter wird für die Zuführung des Reaktionsgases zur Anode oder Kathode einge­ setzt, wodurch die nachstehenden Vorteile beim Betrieb erhal­ ten werden. Der Flächendruck der Gleitflächen des wasserge­ schmierten Verdichters, d. h. das Kompressionsverhältnis und die Zahl der Umdrehungen, kann im Vergleich zum herkömmlichen ölfreien Verdichter deutlich erhöht werden. Die Kompressions­ wirkung wird durch Verringerung des Austritts des Reaktions­ gases zwischen den Gleitflächen verbessert. Es bildet sich kein Ölfilm, so daß sich die Batterieleistung nicht ver­ schlechtert. Die Größe des wassergeschmierten Verdichters kann auf etwa ein Drittel bis die Hälfte des herkömmlichen ölfreien Verdichters deutlich verringert werden. Zusätzlich führt die Verbesserung der Kompressionswirkung sowie die Ver­ ringerung des Reibungsverlustes zu einer deutlichen Verringe­ rung der Antriebsenergie. Daher ist das Brennstoffzellensy­ stem gemäß dem vorliegenden Aufbau insbesondere bei der Ver­ wendung als Energiequelle zum Betreiben eines Fahrzeugs prak­ tisch, da in diesem Fall dringend eine verringerte Größe, ein verringertes Gewicht sowie ein ökonomischer Betrieb erforder­ lich ist.

Claims (3)

1. Brennstoffzellensystem des Festpolymerelektrolyt-Typs, um­ fassend:
eine Zelle (1) mit einer Anode (12) und einer Kathode (13) sowie einem dazwischen angeordneten Festpolymerelektro­ lytfilm (11);
eine erste Reaktionsgas-Zuführleitung zur Zuführung eines Reaktionsgases zur Anode (12);
eine zweite Reaktionsgas-Zuführleitung zur Zuführung ei­ nes Reaktionsgases zur Kathode (13);
eine Gasablaßleitung zum Ablassen des Reaktionsgases aus der Zelle (1); und
eine druckerzeugende Einrichtung (2, 3), die in mindestens einer der ersten Reaktionsgas-Zuführleitung und zweiten Reak­ tionsgas-Zuführleitung bereitgestellt ist, um das Reaktions­ gas unter Druck zu setzen, wobei die druckerzeugende Einrich­ tung ein wassergeschmierter Verdichter ist.

2. Brennstoffzellensystem des Festpolymerelektrolyt-Typs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin eine Rückgewinnungseinrichtung (4, 7) zur Rück­ führung des aus der Gasablaßleitung extrahierten Wassers zum wassergeschmierten Verdichter (2, 3) umfaßt.

3. Brennstoffzellensystem des Festpolymerelektrolyt-Typs nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle des Festpolymerelektrolyt-Typs in ein Fahrzeug eingebaut ist, um einen Motor zum Antrieb des Fahr­ zeugs mit Strom zu versorgen.