DE4201632C2 - Verfahren und Anordnung zur Befeuchtung der einer Brennstoffzelle zuströmenden Reaktanten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Befeuchtung mindestens eines einer sauren bzw. alkalischen Matrix-Brennstoffzelle oder einer Polymer- Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle zuströmenden Reaktanten.

Bei sauren oder alkalischen Brennstoffzellen entsteht beim Betrieb durch die Oxidation des Wasserstoffs Wasser. Zugleich wird durch die abströmenden Reaktanten, den Oxidator (O₂ oder Luft) und dem Brennstoff (H₂), ständig Feuchtigkeit dem Elek­ trolyten entzogen und aus der Brennstoffzelle ausgetragen. Die Leistungsfähigkeit einer solchen Brennstoffzelle ist je­ doch sehr stark vom Wassergehalt bzw. der Konzentration des Elektrolyten abhängig. Wird zuviel Wasser aus dem Elektrolyten ausgetragen, so kann dieser bzw. die ihn hal­ tende Matrix bzw. die hydrophilierte Ionenaustauschermembran austrocknen. Dabei sinkt zunächst nur die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle. Schließlich kann es auch zu einem Gasdurch­ bruch kommen, bei dem sich Wasserstoffgas und Sauerstoffgas zu Knallgas mischen. Wird andererseits zu wenig Wasser ausge­ tragen so wird die Funktion durch sinkende Elektrolytkon­ zentration oder Füllung der Gasräume mit Wasser gestört und die Brennstoffzelle hört allmählich auf zu arbeiten.

Während die Einstellung des optimalen Wassergehalts bei be­ kannten Brennstoffzellen mit zirkulierenden Elektrolyten re­ lativ einfach ist, ist die Einstellung des Wassergehalts bei den viel kompakteren Matrix-Brennstoffzellen und erst recht bei Brennstoffzellen mit Ionenaustauschermembranen sehr viel auf­ wendiger, weil der Wassergehalt hier relativ gering ist und daher Ungleichgewichte beim Wasseraustrag schnell zu Funktions­ störungen führen.

Bei Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzellen ist es zur Einstellung des Wassergehalts bereits bekannt, in den Zufüh­ rungsleitungen für die Reaktanten, d. h. den Oxidator und den Brennstoff wasserbespülte Membranbefeuchter, Rohrbündelbe­ feuchter oder Blasenbefeuchter zu verwenden. Diesen Befeuch­ tern wird entionisiertes Wasser über ein eigenes Wasserver­ sorgungssystem zugeführt. Die benötigte Verdampfungswärme wird über die Verlustwärme der Brennstoffzelle, d. h. durch das Kühlwasser der Brennstoffzelle gedeckt.

In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt, das benötigte Wasser durch Auskondensieren aus der Abluft der Brennstoff­ zelle zu gewinnen. Es ist jedoch eine Eigenart einer solchen Konstruktion, das der Kondensator voluminös ist und bei höhe­ ren Umgebungstemperaturen nur bedingt funktioniert.

Aus der Deutschen Offenlegungsschrift 41 32 536 ist ein Ver­ fahren zum Einstellen des Wassergehalts eines Elektrolyten in sauren oder alkalischen Brennstoffzellen bekannt, bei welchem zumindest eines der in die Brennstoffzelle einströmenden Gase zum Wasserdampftransport eingesetzt und zu diesem Zweck über eine temperierte Wasseroberfläche geleitet wird.

Außerdem ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift 33 23 491 eine Brennstoffzellenbatterie mit einer Vielzahl von Brenn­ stoffzellen bekannt, die in kaskadenartigen Abschnitte ge­ trennt sind, wobei das oxidierende Gas eines Abschnittes der Batterie direkt im nächsten Abschnitt der Batterie genutzt wird. Die Zellen jedes Abschnittes der kaskadenartigen Batte­ rie weisen eine hydratisierte, Kationen transportierende Mem­ bran auf, die die Zelle in eine Anoden- und Kathodenkammer trennt.

Des weiteren ist aus der Europaischen Patentanmeldung 0 499 593 eine elektrochemische Zelle bekannt, die eine feuchte Membran aus einem polymeren Elektrolyten aufweist, in welcher wenigstens ein enger Kanal für eine Wasserversorgung des po­ lymeren Elektrolyten ausgebildet ist.

Zusätzlich ist aus dem US-Patent 4, 769, 297 ein Brennstoffzel­ lenstapel bekannt, dem Wasser zugeführt wird. Ein Teil des Wassers wird in den Brennstoffzellen verdampft um den Brenn­ stoffzellenstapel zu kühlen und ein weiterer Teil des Wassers durchströmt dabei den gesamten Brennstoffzellenstapel. In den Brennstoffzellen gelangt das Wasser aus dem Anodenraum durch eine Elektrolyt-Membran in den Kathodenraum. Die Strömung des Wassers von einer Brennstoffzelle in die darauffolgende wird dabei durch eine poröse wasserdurchlässige Separatorplatte ermöglicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und einen Weg zu weisen, wie in möglichst einfacher und zuverlässiger Weise die Feuchtigkeit des Elektrolyten in der Brennstoffzelle eingestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 5 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Ansprü­ chen 2 bis 4 und 6 bis 10 zu entnehmen.

Dadurch, daß erfindungsgemäß mindestens ein der Brennstoff­ zelle jeweils zuströmender Reaktant von dem aus der Brenn­ stoffzelle abströmenden selben Reaktanten nur durch eine se­ mipermeable Membran getrennt ist, wird nicht nur Wärme von dem aus der Brennstoffzelle austretenden Reaktanten auf den frisch zuströmenden Reaktanten übertragen, sondern auch Was­ serdampf. Dies gilt natürlich nur sofern und soweit die Feuchte im frisch zuströmenden Reaktanten niedriger ist als in dem von der Brennstoffzelle abströmenden gleichen Reaktan­ ten, was üblicherweise wegen der niedrigeren Temperatur des Reaktanten der Fall ist. Es ist ein besonderer Vorteil, daß der Wärme- und Feuchteübertrag umso größer ist je größer die Temperaturdifferenz bzw. die Differenz der relativen Feuchte ist.

Dadurch, daß erfindungsgemäß der Brennstoffzelle ein Be­ feuchter für mindestens einen Reaktanten vorgeschaltet ist, der mindestens zwei mittels einer semipermeablen Membran von­ einander getrennte Gasräume enthält, wobei der eine Gasraum von dem zur Brennstoffzelle hinströmenden frischen Reaktanten und der andere Gasraum von dem selben aus der Brennstoffzelle ausströmenden Reaktant durchströmt wird, wird eine ebenso einfache wie effektive Konstruktion erhalten, mit der das eingangs genannte Verfahren in zuverlässiger Weise durchführbar ist.

In besonders zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann der aus der Brennstoffzelle ausströmende Reaktant längs der semi­ permeablen Membran gegensinnig zu dem der Brennstoffzelle zu­ strömenden selben Reaktanten strömen. Hierdurch wird der effek­ tivste Wasserdampf- und Wärmeübergang gewährleistet.

In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann als Reaktant Luft verwendet werden. Hierdurch wird bei allen irdischen Anwendungen das Mitführen von Sauerstoff einge­ spart.

Eine besonders einfache und zweckmäßige Konstruktion läßt sich erreichen, wenn in zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung die semipermeable Membran als flache, zwischen zwei strukturierte Abstandsplatten eingespannte Folie ausgebildet ist. Hierdurch lassen sich mit einfachen planen Folien, die sich an den Stegen der Rillen abstützen, große Austauschoberflächen erreichen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand zweier in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert:

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Brennstoff­ zelle mit je einem Befeuchter je Reaktant,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen auseinandergezogenen plattenförmigen Luftbefeuchter,

Fig. 3 eine Aufsicht auf eine strukturierte Abstands­ platte des Befeuchters der Fig. 2 und

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für ein Befeuchter mit einer schlauchförmigen Membran.

Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine alka­ lische Brennstoffzelle 1 mit den Zuführungsleitungen 2, 4 für die umzusetzenden Gase bzw. Reaktanten und den Austrittslei­ tungen 6, 8 für die mehr oder weniger umgesetzten Gase bzw. Reaktanten sowie je eine jeweils einem Reaktanten zugeord­ nete Anordnung 10, 12 zur Befeuchtung derselben. Im Ausführungs­ beispiel sind Sauerstoff und Wasserstoff als Reaktanten vor­ gesehen. Es können aber ebenso gut Luft und ein wasserstoff­ haltiges Gasgemisch sein. Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, umfaßt die alkalische Brennstoffzelle im Ausführungsbeispiel eine den Elektrolyten - im Ausführungsbeispiel Kalilauge - durch Kapillarkräfte haltende Matrix 14, an der auf der einen Seite eine Kathode 16 und auf der anderen Seite eine Anode 18 anliegt. Auf der der Matrix 14 abgewandten Seite dieser beiden Elektroden 16, 18 ist je ein Gasraum 20, 22 vorgesehen und auf der den Elektroden abgewandten Seite dieses Gasraums ist je ein Heiz-Kühl-Element 24, 26 angedeutet. Die Matrix 14 besteht im Ausführungsbeispiel aus einem mit Kalilauge ge­ tränkten Asbestpapier. Die Anode 18 wie auch die Kathode 16 bestehen im Ausführungsbeispiel aus einer porösen Platin­ schicht. Anstelle der Matrix 14 kann auch zwischen den beiden Elektroden 16, 18 eine Ioneaustauscherfolie mit anionischem Harz oder mit sauren Komponenten eingesetzt sein. In diesem Fall ist der Elektrolyt an der Folie gebunden und es ist außer für die Zuführung der Reaktanten lediglich für eine optimale Feuchte der Ionenaustauscherfolie zu sorgen.

Die beiden Anordnungen 10, 12 zur Befeuchtung der beiden Reaktanten sind für beide Reaktanten gleich ausgeführt. Sie bestehen gemäß der schematischen Darstellung der Fig. 1 aus einem Gasraum 30, 32 für den zuzuführenden frischen Reak­ tanten und ein direkt anschließenden zweiten Gasraum 34, 36 für den aus der Brennstoffzelle 1 ausströmenden Reaktanten, wobei beide Gasräume einer jeden Anordnung durch eine dünne permeable Membran 38, 40 voneinander getrennt sind. Wie aus der Fig. 1 weiterhin zu entnehmen ist, ist in den Gaszufüh­ rungsleitungen 2, 4 für die beiden Reaktanten - im Ausführungs­ beispiel Sauerstoff und Wasserstoff - je ein Gasverdichter 42, 44 angeschlossen.

Beim Betrieb der Brennstoffzelle 1 wird jeder der beiden Reaktanten über den zugehörigen Gasverdichter 42, 44 in den Gasraum 30, 32 der diesem Reaktanten zugeordneten Anordnung 10, 12 zur Befeuchtung des Reaktanten gedrückt und strömt dort entlang der semipermeablen Membran 38, 40 zum Ausgang dieses Gasraumes und von dort durch den entsprechenden Gas­ raum 20, 22 der Brennstoffzelle 1 wiederum in den gegenüber­ liegenden Gasraum 34, 36 derselben Anordnung 10, 12 zur Be­ feuchtung des Reaktanten an der gegenüberliegenden Seite der semipermeablen Membran 38, 40 nach außen. Die beiden semi­ permeablen Membranen 38, 40 werden somit auf der einen Seite von frischen trockenen Reaktanten und auf der gegenüberlie­ genden Seite von dem gleichen von der Brennstoffzelle zurück­ strömenden heißen, mit Reaktionswasser angereicherten Reak­ tanten im Gegenstrom bespült. Das führt dazu, daß der frische Reaktant an der semipermeablen Membran 38, 40 von dem aus der Brennstoffzelle 1 austretenden Reaktanten aufgeheizt und zu­ gleich befeuchtet wird. Durch diese Maßnahme wird der aus der Brennstoffzelle austretende Reaktant getrocknet und gekühlt. Dabei ist es ein großer Vorteil, daß zugleich sowohl die Überschußwärme des aus der Brennstoffzelle austretenden Reak­ tanten als auch sein Wasserdampfgehalt genutzt werden können. Dies erspart separate Einrichtungen zur Temperierung der der Brennstoffzelle zuströmenden Reaktanten. Darüber hinaus er­ spart es auch separate Einrichtungen zur Aufbereitung des für die Befeuchtung der Reaktanten sonst benötigten Wassers.

Die Fig. 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau, einer Anordnung 10, 12 zur Befeuchtung eines Reak­ tanten. Man erkennt in der Fig. 2, daß die Anordnung zur Be­ feuchtung aus abwechselnd aufeinander liegenden strukturierten Abstandsplatten, die im Ausführungsbeispiel als Rillenplatten 50, 52 dargestellt sind und semipermeablen Membranen 38, 39 besteht. Die strukturierten Abstandsplatten können beispiels­ weise aus Niromaterial bestehen. Sie tragen, wie die Fig. 3 zeigt, an ihren vier Ecken Durchgangsbohrungen 54, 55, 56, 57 sowie im Mittelfeld zwischen den vier Durchgangsbohrungen strukturierte Felder 58. Diese können geprägt sein. Die Stütz­ strukturen 60 sind jeweils bis in zwei einander diametral gegenüberliegende Durchgangsbohrungen hinein ausgeführt. Die Stützstrukturen 60 sind auf der gegenüberliegenden Seite einer jeden Abstandsplatte 50, 52 gleichermaßen ausgeführt, nur sind Verbindungskanäle 67, 68, 69 (nur drei sichtbar) zu den beiden jeweils anderen Durchgangsbohrungen als auf der gegenüberliegenden Seite hingeführt. Die oberste und unterste Abstandsplatte 50 eines jeden Stapels ist nur auf der dem Stapel zugewandten Seite mit Stützstrukturen wie bei den anderen Abstandsplatten 52 ausgeführt. Auf der dem Stapel abgewandten Seite sind diese Deckplatten 50 lediglich mit vier Anschlüssen 64, 66 (nur zwei sichtbar) für die Reaktanten ausgerüstet.

Beim Betrieb der Anordnung 10 zur Befeuchtung strömt frischer Reaktant durch die Durchtrittsbohrung 54 hindurch in die jewei­ ligen über die Verbindungskanäle 67, 69 angeschlossenen struk­ turierten Felder 58 in die jeweils diametral gegenüberliegende Durchtrittsbohrung 56 für den frischen Reaktanten ein und strömt von dort zur Brennstoffzelle 1 hin. Der aus der Brennstoffzelle austretende teilweise umgesetzte gleiche Reaktant strömt über die Durchgangsbohrung 57 in den Stapel Abstandsplatten 50, ein und über die Verbindungskanäle 68 dieser Durchgangs­ bohrung in die jeweiligen strukturierten Felder 58 und von diesen über die weiteren Verbindungskanäle (nicht sichtbar) in die diagonal gegenüberliegende Durchgangsbohrung 55 ein und von dort aus der Anordnung 10 zur Befeuchtung wieder her­ aus. Dabei strömt der verbrauchte Reaktant im Gegenstrom zum frischen Reaktanten entlang gegenüber liegender Seiten der semipermeablen Membran. Hierdurch wird ein optimaler Stoff- und Wärmeaustausch erreicht.

Die Fig. 4 zeigt eine andere Anordnung 70 zur Befeuchtung der Reaktanten. Diese besteht aus einem zylindrischen Gefäß 72, in dem die semipermeable Membran beispielsweise in Form eines Schlauches 74 spiralförmig geführt ist und über zwei Schlauch­ stutzen 76, 78 an ihren beiden Enden aus dem zylindrischen Ge­ fäß 72 herausgeführt wird. Darüber hinaus enthält sowohl die Bodenplatte 80 als auch die Deckplatte 82 dieses zylindrischen Gefäßes 72 einen Austrittsstutzen 84, 86 für den jeweils anderen Reaktanten. Bei dieser Anordnung ist es vorteilhaft, wenn der frische Reaktant durch die schlauchförmige semipermeable Membran 74 geführt und der aus der Brennstoffzelle 1 aus­ tretende selbe Reaktant unmittelbar in das zylindrische Ge­ fäß, etwa durch die Bodenplatte 80 hindurch eingeführt und aus dem Austrittsstutzen 86 an der Deckplatte 82 wieder aus­ tritt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Befeuchtung mindestens eines einer sauren oder alkalischen Matrix-Brennstoffzelle oder einer Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle zuströmenden Reaktanten, dadurch gekennzeichnet, daß der der Brennstoffzelle (1) jeweils zuströmende Reaktant von dem aus der Brennstoffzelle (1) abströmenden selben Reaktanten nur durch eine semipermeable Membran (38, 39, 40, 74) getrennt geführt wird, wobei der Wasserdampf über die semipermeable Membran (38, 39, 40, 74) aus dem abströmenden Reaktanten in den der Brennstoffzelle zuströmenden Reaktanten eingespeist wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Brennstoffzelle (1) abströmende Reaktant längs der semi­ permeablen Membran (38, 39, 40) gegensinnig zu dem der Brenn­ stoffzelle zuströmenden selben Reaktanten geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den einen Reaktanten Luft genommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den einen Reaktanten im wesentlichen Sauerstoff genommen wird.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenn­ stoffzelle (1) ein Befeuchter (10, 12, 70) für mindestens einen Reaktanten vorgeschaltet ist, der mindestens zwei mittels ei­ ner semipermeablen Membran (38, 39, 40, 74) voneinander getrenn­ te Gasräume enthält, wobei der eine Gasraum (30, 32, 74) von dem zur Brennstoffzelle (1) hin strömenden frischen Reaktan­ ten und der andere Gasraum (34, 36, 72) von dem selben aus der Brennstoffzelle (1) ausströmenden Reaktanten durchströmt wird, wobei Wasserdampf über die semipermeable Membran (38, 39, 40, 74) aus dem abströmenden Reaktanten in den der Brennstoffzelle zuströmenden Reaktanten gelangt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die semi­ permeable Membran (38, 39, 40) als flache, zwischen zwei struk­ turierte Abstandsplatten (50, 52) eingespannte Folie ausgebil­ det ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die semi­ permeable Membran als Schlauch (74) ausgebildet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch (74) von dem der Brennstoffzelle (1) zuströmenden Reaktant durchströmt ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die semi­ permeable Membran (38, 39, 40, 74) eine polymere Elektrolyt-Mem­ bran ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der der Brennstoffzelle (1) zuströmende Reaktant im Gegenstrom zu dem von der Brennstoffzelle (1) abströmenden selben Reaktanten längs der semipermeablen Membran (38, 39, 40) strömt.