DE19953799A1 - Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeitsteilchen aus Prozessgasströmen in Brennstoffzellensystemen - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeitsteilchen aus Prozeßgasströmen in Brennstoffzellensystemen, insbesondere in luftatmenden PEM-Brennstoffzellensystemen, weist einen Flüssigkeitsabscheider und einen Brennstoffzellenstack, welcher wenigstens eine Brennstoffzelle umfaßt, auf. Der Flüssigkeitsabscheider weist eine wärmeleitende Verbindung mit dem Brennstoffzellenstack auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeitsteilchen aus Prozeßgasströmen in Brennstoffzellensystemen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Allgemein bekannt ist, daß es für den Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere einer luftatmenden Brennstoffzelle mit Proton-Exchange-Membranen bzw. Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM), notwendig ist, die Prozeßgasströme zu befeuchten. Hierzu werden die Gase üblicherweise mit Befeuchtersystemen vor dem Eintritt in die eigentliche Brennstoffzelle direkt oder indi­ rekt, wie z. B. über Membrane, mit Flüssigkeit in Kon­ takt gebracht. Die Gase nehmen dabei Teile dieser Flüssigkeit auf, welche dann größtenteils in den Gasen verdampft und deren Feuchte bzw. relative Feuchte er­ höht.

Um zu vermeiden, daß flüssige Tröpfchen aus den Be­ feuchtersystemen über die Prozeßgasströme in die Brennstoffzelle gelangen, ist der Brennstoffzelle häu­ fig ein Flüssigkeits- bzw. Kondensatabscheider vorge­ schaltet. Dieser scheidet etwaige Flüssigkeitströpf­ chen ab, welche zu einer Beeinträchtigung der Brenn­ stoffzellenleistung führen würden, wenn sie in die Brennstoffzelle gelängen.

Diese Flüssigkeitsabscheider haben dabei den Nachteil, daß sie speziell während des Anfahrens des Brennstoff­ zellensystems noch kalt sind und somit zu einer Aus­ kondensation von Flüssigkeit führen. Als Folge davon werden die Brennstoffzellen, üblicherweise sind je­ weils mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzel­ lenstack zusammengefaßt, während des Anfahrens, also während ihrer Hochheizphase, mit sehr trockenem Pro­ zeßgas betrieben. Dies führt zu einer Austrocknung der Polymer-Elektrolyt-Membranen und somit zu einer Schä­ digung der Brennstoffzellen.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein System zum Abscheiden von Flüssigkeitsteilchen aus den Prozeß­ gasströmen in Brennstoffzellensystemen zu schaffen, bei dem keine Flüssigkeitströpfchen in die Brennstoff­ zellen gelangen, und bei dem während des gesamten Be­ triebs des Brennstoffzellensystems ein ausreichend hoher Feuchtegehalt in den Prozeßgasströmen sicherge­ stellt ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Durch den erfindungsgemäßen wärmeleitenden Kontakt zwischen dem Brennstoffzellenstack und dem Flüssig­ keitsabscheider wird der Flüssigkeitsabscheider beim Anfahren der Brennstoffzelle zusammen mit dieser hoch­ geheizt und damit schnell erwärmt. Durch diese vor­ teilhafte, sehr schnelle Erwärmung kommt es, insbeson­ dere in der Anfahrphase der Brennstoffzelle, zu keiner temperaturbedingten Auskondensation von Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsabscheider, wie dies beim Stand der Technik der Fall ist.

Das Prozeßgas wird also nicht "ausgetrocknet", was in besonders vorteilhafter Weise sicherstellt, daß auch während der Startphase der Brennstoffzelle, diese mit ausreichend befeuchteten Prozeßgasen betrieben werden kann. Ein Austrocknen der Polymer-Elektrolyt-Membranen kann somit während jeder Betriebsphase der Brennstoff­ zelle zuverlässig verhindert werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Flüssigkeitsabscheider baulich di­ rekt in den Brennstoffzellenstack, welcher die Brenn­ stoffzellen des Brennstoffzellensystems aufweist, in­ tegriert. Dies erlaubt es, eine sehr kompakte und platzsparende Baueinheit aus Flüssigkeitsabweiser und Brennstoffzellenstack zu verwirklichen.

Die Vorteile dieser Bauweise liegen insbesondere in ihrer räumlichen Kompaktheit sowie in den kurzen Wegen zwischen dem Flüssigkeitsabscheider und dem Brenn­ stoffzellenstack. Durch die kurzen Wege und durch die annähernd gleiche Temperatur von Brennstoffzellen und Flüssigkeitsabscheider, welche durch den wärmeleiten­ den Kontakt zwischen Brennstoffzellenstack und Flüs­ sigkeitsabscheider bedingt ist, kann vermieden werden, daß es zu einer Auskondensation von Flüssigkeit und damit zu einer Tröpfchenbildung auf dem Weg zwischen dem Flüssigkeitsabscheider und dem Eintreten der Pro­ zeßgase in die Anoden- bzw. Kathodenkammer der Brenn­ stoffzelle kommt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem anhand der Zeichnung näher dargestellten Ausführungsbeispiel.

Die einzige beigefügte Figur zeigt einen Brennstoff­ zellenstack 1, welcher sich zusammen mit einem Flüs­ sigkeitsabscheider 2 zwischen zwei Endplatten 3, 4 befindet und so zusammen mit dem Brennstoffzellenstack 1 eine integrierte Baueinheit bildet.

Prinzipiell kann ein solcher Flüssigkeitsabscheider 2 sowohl für die einem Anodenraum als auch für die einem Kathodenraum jeweils einer Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstacks 1 zugeführten Prozeßgase vorge­ sehen sein. Zur Vereinfachung der Darstellung ist hier jedoch nur ein Flüssigkeitsabscheider 2 mit einem Pro­ zeßgaseintritt 5 dargestellt. Im Brennstoffzellenstack 1 sind die Membrane 6 der PEM-Brennstoffzellen ange­ deutet. Das Prozeßgas verläßt den Brennstoffzellen­ stack 1 nach dem Durchströmen wieder über einen Pro­ zeßgasaustritt 7.

Der Flüssigkeitsabscheider 2 weist einen Flüssigkeits­ austritt 8 auf, welcher mit einer Absperreinrichtung 9, wie z. B. einem Magnetventil 9, versehen ist, um auskondensierte Flüssigkeit 10 aus dem Flüssigkeitsab­ scheider 2 gezielt ablassen zu können.

Dieses Magnetventil 9 kann anhand der Daten von Füll­ standssensoren 11 derart gesteuert werden, daß sich der Flüssigkeitspegel der auskondensierten Flüssigkeit 10 jeweils zwischen den beiden Füllstandssensoren 11 befindet. Die abgelassene Flüssigkeit kann dann je­ weils wieder einem Flüssigkeitskreislaufsystem oder einem Sammelbehälter zugeführt werden. Die Flüssigkeit kann so zur Wiederverwendung in dem Brennstoffzellen­ system, z. B. zur Befeuchtung der Prozeßgasströme, ein­ gesetzt werden.

Das durch den Prozeßgaseintritt 5 in einen Hohlraum 12 des Flüssigkeitsabscheiders 2 eingeleitete, gegebenen­ falls mit Flüssigkeitströpfchen behaftete Prozeßgas durchströmt eine Anordnung von Prallblechen 13, welche ein Hochschwappen oder ein Hochspritzen der auskonden­ sierten Flüssigkeit 10, aufgrund von Erschütterungen beim Einsatz in einem mobilen Brennstoffzellensystem, wie z. B. in einem Fahrzeug, verhindern.

Das mit den Flüssigkeitströpfchen behaftete Prozeßgas gelangt durch diese Anordnung von Prallblechen 13 zu einem für Gase und Flüssigkeitsdampf durchlässigen Trennelement 14, in welchem die dem Prozeßgas enthal­ tenen Flüssigkeitströpfchen von dem Prozeßgas abge­ trennt werden, ehe das Prozeßgas zu einer Eintritts­ öffnung 15 in den eigentlichen Brennstoffzellenstack 1 gelangt.

Bei dem Trennelement 14 kann es sich in bevorzugter Art und Weise um ein räumliches Geflecht 14a aus einem gegen das jeweilige Prozeßgas resistenten Stoff, wie z. B. einem Edelstahl-, Glasfaser- oder Kunststoffge­ flecht, handeln. Das mit den Flüssigkeitströpfchen behaftete Prozeßgas durchströmt dabei das Trennelement 14, wobei sich in ihm enthaltene Flüssigkeitströpfchen dann in dem räumlichen Geflecht 14a des Trennelements 14 absetzen. Die Flüssigkeit sammelt sich in dem Trenn­ element 14 und tropft auf die Prallbleche 13 herun­ ter. Durch die Anordnung und Ausrichtung der Prallble­ che 13 kann die auskondensierte Flüssigkeit entlang der Prallbleche 13 fließen und sich im unteren Bereich des Hohlraums 12 sammeln.

In einer alternativen Ausführungsform kann anstatt des räumlichen Geflechts 14a auch eine Membran 14b als Trennelement 14 eingesetzt werden, welche Gase und Flüssigkeitsdampf wenigstens in Strömungsrichtung der Prozeßgase durchläßt, die Flüssigkeit in der flüssigen Phase jedoch zurückhält.

Günstig ist auch eine Kombination der beiden beschrie­ benen Möglichkeiten, so daß das Trennelement 14 ein räumliches Geflecht 14a und eine entsprechende Membran 14b aufweist. Diese Membran 14b sollte dann auf der der Eintrittsöffnung 15 zugewandten Seite des Trenn­ elements 14 angeordnet sein, so daß zumindest der größte Teil der in dem Prozeßgas verbleibenden Flüs­ sigkeitströpfchen bereits vor dem Erreichen der Mem­ bran 14b in dem räumlichen Geflecht 14a zurückgeblie­ ben ist.

Ein Gehäuse 16 des Flüssigkeitsabscheiders 2 sollte vergleichbar einem Gehäuse 17 des Brennstoffzellen­ stacks aufgebaut sein, wobei hier insbesondere darauf zu achten ist, daß beide Gehäuseelemente 16, 17 in einem gut wärmeleitenden Kontakt zueinander stehen und aus einem entsprechenden, gut wärmeleitenden Material ausgeführt sind.

Anstatt der Integration des Flüssigkeitsabscheiders 2 in den mehrere einzelne Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstack 1 ist natürlich auch die Inte­ gration in das Gehäuse 17 bzw. eine wärmeleitende Ver­ bindung mit dem Gehäuse 17 einer einzelnen Brennstoff­ zelle denkbar.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeitsteil­ chen aus Prozeßgasströmen in Brennstoffzellen­ systemen, insbesondere in luftatmenden PEM- Brennstoffzellensystemen, mit einem Flüssigkeits­ abscheider und einem Brennstoffzellenstack, wel­ cher Brennstoffzellen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsabscheider (2) eine wärmeleitende Verbindung mit dem Brennstoffzellenstack (1) auf­ weist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsabscheider (2) in den Brennstoff­ zellenstack (1) integriert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsabscheider (2) ein Gehäuse (16) mit einen Hohlraum (12), mit wenigstens einer Gas­ austrittsöffnung (15), mit wenigstens einer Flüs­ sigkeitsaustrittsöffnung (8) und mit wenigstens einer Gaseintrittsöffnung (5), welche zwischen den Austrittsöffnungen (8, 15) angeordnet ist, auf­ weist, wobei in dem Hohlraum (12) zwischen der Gaseintrittsöffnung (5) und der Gasaustrittsöff­ nung (15) ein gasdurchlässiges Trennelement (14) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennelement (14) ein räumliches Geflecht (14a) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennelement (14) eine Membran (14b) aufweist, welche für Gase und für Flüssigkeitsdampf in we­ nigstens einer Richtung durchlässig ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlraum (12) Prallbleche (13) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsabscheider Sensoren (11) zur Be­ stimmung des Flüssigkeitsstands der abgeschiedenen Flüssigkeit (10) in dem Hohlraum (12) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsaustrittsöffnung (8) eine steuer­ bare Absperreinrichtung (9) aufweist.