DE19918849C2 - Vorrichtung zur Befeuchtung einer Brennstoffzellenmembran, sowie deren Verwendung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Befeuchtung einer Brennstoffzellenmembran gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie deren Verwendung nach Patentanspruch 7.

Eine Vorrichtung mit diesen Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist aus der DE 199 02 219 C1 bekannt.

In einer Brennstoffzelle wird durch eine chemische Reaktion Strom erzeugt. Dabei wird Brennstoff und Sauerstoff in elektrische Energie und Wasser als Reaktionsprodukt umgewandelt. Eine Brennstoffzelle bzw. PEM-Brennstoffzelle besteht im wesentlichen aus einer Anode, einer Membran und einer Kathode, die zusammen Membran-Elektroden- Einheit bzw. MEA genannt werden. Die Membran besteht aus porösem, elektrisch leitfähigem Material und ist zwischen der Anode und Kathode angeordnet um Ionen auszutauschen. Auf der Seite der Anode wird ein Brennstoff wie z. B. Wasserstoff oder Methanol zugeführt, während auf der Seite der Kathode Sauerstoff oder Luft zugeführt wird. An der Anode werden durch katalytische Reaktionen Protonen bzw. Wasserstoffionen erzeugt, die sich durch die Membran zur Kathode bewegen. An der Kathode reagieren die Wasserstoffionen mit dem Sauerstoff, und es bildet sich Wasser.

Die Reaktion an den Elektroden ist wie folgt:

Anode: H₂ → 2H⁺ + 2e^-

Kathode: ½O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂O

Somit wird an den Elektroden Strom erzeugt, der einem Verbraucher zugeführt wird.

Derartige Brennstoffzellen sind aus vielfältigen Veröffentlichungen bekannt. Es besteht jedoch das Problem, daß die Membran bzw. die MEA feucht gehalten werden muß. Beim Austrocknen der Membran würde diese ihre Ionenleitfähigkeit verlieren, und die Brennstoffzelle wäre nicht mehr funktionsfähig.

In der US 5,432,020 wird daher vorgeschlagen, fein zerstäubtes Wasser mittels einer Einspritzdüse dem Gasstrom zur Brennstoffzelle hinzuzufügen. Dadurch wird die Membran gekühlt und feuchtgehalten. Ein Nachteil ist jedoch, daß ein zusätzlicher Wassertank notwendig ist und das Wasser z. B. durch eine Pumpe gefördert werden muß. Darüber hinaus muß das Wasser vor Einfrieren geschützt werden, was weitere Maßnahmen erforderlich macht.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Befeuchtung einer Brennstoffzellenmembran bereitzustellen, womit die Membran einer Brennstoffzelle wirksam vor Austrocknen geschützt wird, ohne daß ein zusätzlicher Wassertank mitgeführt werden muß. Weiterhin soll eine Brennstoffzelle geschaffen werden, deren Membran auf kostengünstige und zuverlässige Weise feuchtgehalten wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Befeuchtung einer Brennstoffzellenmembran gemäß Patentanspruch 1, sowie die Verwendung dieser Vorrichtung nach Anspruch 7.

Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Befeuchtung einer Brennstoffzellenmembran umfaßt eine Sorptionseinrichtung mit einem Akkumulatorenmaterial zur Aufnahme und Abgabe von Wärme und Feuchtigkeit mittels Sorption, die derart an den Kathodenabgasstrom und an die Gaszufuhr, insbesondere. Kathodengaszufuhr, einer Brennstoffzelle koppelbar oder gekoppelt ist, daß das Akkumulatorenmaterial zeitlich wechselweise mit dem Kathodenabgasstrom und mit der Gaszufuhr in Kontakt gerät.

Die Sorptionseinrichtung ist dabei in Form einer Drahttonne gestaltet.

Dadurch wird es möglich, die benötigte Feuchtigkeit dem Kathodenabgasstrom bzw. - abluftstrom zu entnehmen und auf den der Brennstoffzelle zugeführten Gasstrom nach Desorption zu übertragen, um damit die Membran-Elektroden-Einheit bzw. MEA zu befeuchten.

Vorteilhafterweise ist die Sorptionseinrichtung drehbar gelagert, um z. B. durch eine Rotationsbewegung die Feuchtigkeit zu übertragen. Dadurch kann das wechselweise Feuchtigkeit aufnehmende und abgebende Akkumulatorenmaterial zyklisch mit den jeweiligen Gasströmen in Kontakt geraten.

Die Vorrichtung kann mehrere voneinander getrennte Durchströmumgsbereiche aufweisen, die bevorzugt segmentweise angeordnet sind. Dadurch kann das Akkumulatorenmaterial gleichmäßig und besonders wirksam mit der Feuchtigkeit beladen bzw. entladen werden.

Vorteilhafterweise ist die Sorptionseinrichtung radförmig oder zylindrisch, beispielsweise als Sorptionsrad ausgestaltet, in dem sich das Akkumulatorenmaterial befindet. Dadurch kann bei geringem konstruktiven Aufwand eine besonders wirksame und effektive Feuchtigkeitsübertragung erfolgen. Die Sorptionseinrichtung enthält ein Gewebe, insbesondere ein Textilgewebe, als Akkumulatorenmaterial. Diese Lösung ist besonders kostengünstig und wenig störanfällig.

Das Akkumulatorenmaterial umfaßt vorteilhafterweise ein feuchteabsorbierendes Granulat wie beispielsweise Silikagel, wodurch sich eine besonders hohe Speicherkapazität für die Feuchtigkeit und damit eine besonders große Wirksamkeit bei der Feuchteübertragung ergibt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Brennstoffzelle geschaffen, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran aufweist.

Zur Erfindung gehört die Verwendung einer Vorrichtung zur Befeuchtung einer Brennstoffzellenmembran der vorbeschriebenen Ausgestaltung in Brennstoffzellen. Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft beschrieben, wobei die einzige Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Feuchtetauscher zeigt, der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist.

Der in der Figur gezeigte Feuchtetauscher 1 besteht aus einem Sorptionsrad 10, das ein Akkumulatorenmaterial 21 in Form eines Granulats enthält. In der hier dargestellten Ausführungsform ist das Akkumulatorenmaterial 21 Silikagel, das zur Aufnahme von Feuchtigkeit besonders geeignet ist. Über erste Anschlußstücke 2a, 2b ist das Sorptionsrad 10 an den Kathodenabluftstrom bzw. Kathodenabgasstrom 20 einer Brennstoffzelle, die nicht dargestellt ist, gekoppelt. Weiterhin ist der Feuchtetauscher 1 bzw. das Sorptionsrad 10 über zweite Anschlußstücke 3a, 3b an einen Gaszufuhrstrom 30, der zur Brennstoffzelle führt, gekoppelt. In der hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist der Gaszufuhrstrom 30 die Außenluft, die auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle als Kathodenzuluft zugeführt wird.

Das Sorptionsrad 10 ist drehbar um seine Achse A gelagert, wobei die Drehachse A und die Richtungen des Kathodenabgasstroms 20 und des Gaszufuhrstroms 30 parallel zueinander verlaufen. Die Drehrichtung des Sorptionsrads ist durch den Pfeil B gekennzeichnet.

Das Sorptionsrad 10 hat eine erste Stirnseite 11 und eine zweite Stirnseite 12, die mit Öffnungen versehen sind um das Kathodenabgas bzw. die Kathodenabluft und die Gaszufuhr zur Kathode hindurchzuführen. Die Öffnungen auf den beiden Stirnseiten 11, 12 des Feuchtetauschers 1 sind dabei jeweils gegenüberliegend angeordnet, wobei auf jeder Seite des Sorptionsrads 10 eine Vielzahl von Öffnungen einen Kreis bilden. Der Radius des Kreises bzw. der Abstand der Öffnungen von der Drehachse A ist dabei so gewählt, daß bei einer Drehung des Sorptionsrads 10 die Öffnungen mit den sich jeweils gegenüberliegenden ersten und zweiten Anschlußstücken 2a, 2b, 3a, 3b zur Deckung kommen.

Die Anschlußstücke 2a, 2b, 3a, 3b müssen nicht notwendigerweise Teil des Feuchtetauschers 1 sein, sondern können auch eine Kathodenabluftleitung bzw. eine Gaszuleitung zur Kathode sein, die jeweils an beiden Seiten 11, 12 des Sorptionsrads 10 bzw. Feuchtetauschers 1 direkt anschließen.

Im Innenraum des Sorptionsrads 10 befindet sich eine Vielzahl von Kanälen, durch die im Betrieb die jeweiligen Gasströme geführt werden. Der Innenraum ist dabei so gestaltet, daß das Akkumulatorenmaterial 21 eine möglichst große Oberfläche bietet, um mit dem Kathodenabluftstrom bzw. mit dem Kathodenzuluftstrom oder allgemein mit dem Gasstrom zur Kathode in Kontakt zu stehen. Dies wird im vorliegenden Fall durch die Ausgestaltung des Akkumulatorenmaterials 21 als feinkörniges Granulat bewirkt, das im Betrieb vom jeweiligen Gasstrom durchsetzt wird.

Beim Betrieb des Sorptionsrads 10 wird ein erster Bereich 1a in seinem Innenraum von der warmen und feuchten Kathodenabluft der Brennstoffzelle durchsetzt. Während die feuchte Kathodenabluft durch den ersten Bereich 1a des Feuchtetauschers 1 gefördert wird nimmt die Akkumulatorenmasse bzw. das Akkumulatorenmaterial 21, das sich im ersten Bereich 1a des Feuchtetauschers befindet, durch Sorption Wärme und Feuchtigkeit aus dem Luftstrom auf. Dabei wird die feuchte Luft bzw. die Feuchtigkeit durch Akkumulatorenmaterial 21 im ersten Bereich 1a gebunden bzw. gespeichert.

Durch die rotierende Bewegung des Feuchtetauschers 1 in Pfeilrichtung B wird der erste Bereich 1a, der die warme Luft und die Feuchtigkeit aufgenommen hat, zum Gaszufuhrstrom 30 bzw. zur Kathodenzuluft hin befördert. Während der Drehung des Feuchtetauschers 1 geraten weitere Bereiche seines Innenraums mit der feuchten und warmen Kathodenabluft in Kontakt und nehmen ebenfalls Feuchtigkeit und Wärme auf. Die Kathodenabluft auf der stromabwärts des Feuchtetauschers 1 gelegenen Seite ist daher relativ trocken und kalt im Vergleich zur Kathodenabluft vor Durchströmung des Feuchtetauschers 1.

Während der erste Bereich 1a des Feuchtetauschers 1 Wärme und Feuchtigkeit aufnimmt befindet sich ein zweiter Bereich 1b zwischen den zweiten Anschlußstücken 3a, 3b der Gaszufuhr zur Brennstoffzelle. Dieser Bereich 1b hat zuvor Wärme und Feuchtigkeit von der Kathodenabluft aufgenommen und wird nun von der Kathodenzuluft durchströmt. Die Kathodenzuluft ist z. B. Außenluft, die im Vergleich zur Kathodenabluft relativ trocken und kalt ist. Bei der Durchströmung des zweiten Bereichs 1b des Feuchtetauschers 1 wird die Kathodenzuluft durch den Kontakt mit der Akkumulatorenmasse bzw. dem Akkumulatorenmaterial 21 erwärmt und nimmt die im Akkumulatorenmaterial 21 gespeicherte Feuchtigkeit auf. Das zur Brennstoffzelle hingeführte Gas ist daher nach Durchströmen des zweiten Bereichs 1b des Feuchtetauschers 1 feucht und warm. Diese Feuchtigkeit wird nun der Membran bzw. der MEA der Brennstoffzelle zugeführt.

In einer anderen, hier grafisch nicht gezeigten Ausführungsform ist der Feuchtetauscher 1 eine aus Draht gefertigte Tonne, die z. B. ein Textilgewebe als Akkumulatorenmaterial enthält. Auch in diesem Fall wird durch Drehung der Tonne mittels Sorption der Kathodenabluftstrom entfeuchtet und durch anschließende Desoprtion der Kathodenzuluftstrom befeuchtet, so daß ein Austrocknen der Membran-Elektroden-Einheit verhindert wird.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Feuchtetauscher 1 in Segmente unterteilt ist, die sternförmig um die Drehachse A angeordnet sind. Die Öffnungen der ersten Anschlußstücke 2a, 2b und der zweiten Anschlußstücke 3a, 3b, die an den Stirnseiten 11, 12 des Feuchtetauschers 1 angeordnet sind, sind dabei an die Form der jeweiligen einzelnen Segmente angepaßt. Dadurch ergibt sich eine besonders gleichmäßige Strömung durch die verschiedenen Bereiche des Feuchtetauschers 1.

Durch Kopplung des Feuchtetauschers 1 an den Kathodenabluftstrom und an den Kathodenzuluftstrom der Brennstoffzelle 1 und durch das Prinzip der Feuchteübertragung mittels Sorption und Desorption kann auf aufwendige konstruktive Maßnahmen verzichtet werden. Allgemein beinhaltet Sorption die Aufnahme und Bindung von Gasen und Flüssigkeiten durch Feststoffe, wobei Energie gespeichert wird und bei Bedarf durch Desorption wieder freigesetzt werden kann. Diese Effekte werden hier in der Brennstoffzellentechnik, insbesondere für Automobile, eingesetzt.

Der in den Kathodenabluftstrom und in den Kathodenzuluftstrom geschaltete erfindungsgemäße Feuchtetauscher 1 läßt sich sehr kostengünstig realisieren und ist daher für die Serienfertigung besonders geeignet. Die MEA wird wirksam vor dem Austrocknen geschützt.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Befeuchtung einer Brennstoffzellenmembran, mit einer Sorptionseinrichtung (10) mit einem Akkumulatorenmaterial (21) zur Aufnahme und Abgabe von Feuchtigkeit mittels Sorption bzw. Desorption, wobei die Sorptionseinrichtung (10) derart an den Kathodenabgasstrom (20) und an die Gaszufuhr (30) einer Brennstoffzelle koppelbar oder gekoppelt ist, dass das Akkumulatorenmaterial (21) zeitlich wechselweise mit dem Kathodenabgasstrom (20) und mit der Gaszufuhr (30) in Kontakt gerät, dadurch gekennzeichnet, dass die Sorptionseinrichtung (10) in Form einer Drahttonne gestaltet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sorptionseinrichtung (10) drehbar gelagert ist, um die Feuchtigkeit durch eine Rotationsbewegung zu übertragen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sorptionseinrichtung (10) mehrere voneinander getrennte Durchströmungsbereiche (1a, 1b) aufweist, die bevorzugt segmentartig angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sorptionseinrichtung (10) ein Sorptionsrad ist, in dem sich das Akkumulatorenmaterial (21) befindet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sorptionseinrichtung (10) ein Gewebe, insbesondere ein Textilgewebe, als Akkumulatorenmaterial (21) enthält.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Akkumulatorenmaterial (21) ein feuchteabsorbierendes Granulat, insbesondere ein Silikagel, umfaßt.

7. Verwendung einer Vorrichtung zur Befeuchtung einer Brennstoffzellenmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in Brennstoffzellen.