WO2001024298A1 - Verfahren zum betreiben einer brennstoffzelle und vorrichtung dazu - Google Patents

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Stefan Höller
Uwe Küter
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Hoeller Stefan
Kueter Uwe
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel cell, in particular a fuel cell with a polymer electrolyte membrane, according to the
  • the preamble of claim 1 features and a corresponding device for performing this method according to the features specified in the preamble of claim 3.
  • Fuel cells are increasingly used to convert energy stored in chemical form into electrical energy. n; Converting ⁇ , for example to operate a motor vehicle or as a power plant.
  • Fuel cells in which the anode and cathode are separated by a polymer electrolyte membrane are currently used in particular for mobile use.
  • a membrane also known under the term proton exchange membrane, is formed by a plastic film which is arranged between the anode and cathode and which is permeable to protons and water, but is electrically insulating, ie. H. is impermeable to electrons.
  • hydrogen or methanol is directly applied to the anode of such a fuel cell, the oxygen required for the catalytic oxidation of the hydrogen is supplied on the cathode side. This catalytic oxidation generates electrical energy in the form of an electron flow between the anode and cathode, and heat and the reaction product in the form of water.
  • the oxygen is generally supplied not in the form of pure oxygen, but in the form of air, the air being passed along the surface of the cathode in order to achieve the desired reaction between hydrogen and the oxygen in the air .
  • the air is moved via pumps, fans, by convection or, in the case of very small fuel cells, also by diffusion along the cathode in a predetermined flow direction.
  • the present invention is based on the object
  • a device is to be provided with which a fuel cell can be operated accordingly.
  • the basic idea of the present invention is. not to guide the oxygen supply on the cathode side in a flow which is essentially always in the same direction as before, but to change the flow direction cyclically, preferably to reverse it periodically. In this way it is achieved that the input of the fuel cell becomes the output and vice versa, as a result of which the dry and moist areas that typically occur in the membrane change, so that the membrane always has the required moisture when the switching frequency is suitably selected.
  • Betrieteleir.perauir be chosen higher and thus the performance of the fuel cell increase.
  • a simple design of the fluid. in particular gas-carrying channels along the cathode are possible, since moisture exchange between relatively dry and relatively moist areas is no longer necessary.
  • first and a second connection of a flow channel that runs along the cathode ie. H. is guided over the surface of the cathode of the fuel cell and serves to supply oxygen, and alternately the first and the second connection as
  • Switch input or as output This can be done in the simplest form by connecting one of these two connections to the interior of a positive displacement pump, while the other connection is connected to the outside atmosphere, possibly with the interposition of filters or air conditioning devices explained in detail below.
  • a bellows, a piston pump or a diaphragm pump, for example, can serve as the displacement pump, the interior of which is hermetically sealed except for the line connection for connecting the fuel cell.
  • the positive displacement pump should be a multiple of the cathode-side channel volume of the fuel cell, so that it is ensured that when the interior of the positive displacement pump is filled, for example when the bellows is pulled out, the air is first drawn into the bellows from the atmosphere by the fuel cell, and then in the following Drain, that is, when the bellows is compressed, then flow through the fuel cell in the opposite direction of flow and largely escape into the atmosphere.
  • the frequency with which the flow direction within the fuel cell is changed on the cathode side is set by appropriate selection of the motor speed of the eccentric drive. This frequency depends essentially on the channel volume of the fuel cell. the lines and the conditioning devices, if any, as well as the stroke volume of the pump and can usually be determined with just a few tests.
  • Such fuel cells are usually supplied with air via a pressure-increasing device, for example a compressor.
  • a pressure-increasing device for example a compressor.
  • the switching frequency must be selected accordingly.
  • a 4/2-way valve is suitable as the valve, which can preferably be controlled electrically or pneumatically, for example by the pressure line of the compressor itself.
  • the changeover valve is connected on one side to the first and second connection of the fuel cell and on the other side to the pressure line of the compressor and the atmosphere.
  • a pressure accumulator or any other pressure booster system can also be used instead of the compressor.
  • the fuel cell can also be pressurized with two pressure-increasing devices, for example two compressors, with appropriate valve arrangements then ensuring that the flow through the cathode side of the fuel cell can take place in one direction or the other, depending on the compressor switched on.
  • a separate pressure increasing device is then provided for each flow direction, which is cyclically switched on and off or switched off and on.
  • the air is preferably not fed directly to the fuel cell, but first to an air conditioning device. Since the flow direction according to the
  • two air conditioning devices are expediently connected upstream or downstream on both sides of the fuel cell.
  • the fresh air flowing into the system is to be enriched with moisture
  • the air flowing out of the system is to release moisture and the air carried along with it
  • a flow space is expediently created which has moisture-absorbing material such as cotton or coal and which is able to give off heat via its metal outer wall, for example.
  • a positive displacement pump is particularly suitable for accommodating such an air conditioning device.
  • the entire cylinder can be used for heat dissipation, whereas corresponding material for absorbing moisture can be provided on the piston crown. It is particularly simple to achieve heat dissipation by convection, but separate cooling can also be provided, in particular in larger systems.
  • 1 is a schematic representation of a device according to the invention, which works with a positive displacement pump
  • 2 shows a schematic representation of an embodiment variant which works with a compressor and a changeover valve
  • FIG. 5 shows the distribution of the moisture in a flow according to FIG. 1,
  • Fig. 6 shows the basic structure of an air conditioning device on
  • Fig. 1 designates a fuel cell with a polymer electro-membrane. This fuel cell 1 is charged in the usual way with hydrogen on the anode side and with oxygen on the cathode side or with atmospheric air in the embodiment according to FIG. 1. In Fig. 1, only the cathode-side guidance of the
  • the flow channel that extends through the cathode of the fuel cell along this, in particular distributed over its surface, has a first connection 2 at one end and a second connection 3 at the other end.
  • the connection 2 is connected via a line 4 to a conditioning device 5, which in turn is line-connected via a line 6 to a displacement pump in the form of a closed bellows 7.
  • the bellows can be driven in a manner known per se such that it reduces its internal volume by pressing it together or increases it by pulling it apart.
  • the second connection 3 is connected via a line 8 to a conditioning device 9, which corresponds in structure to the conditioning device 5 and is connected to the outside atmosphere.
  • air By pulling the bellows 7 apart, air first flows into the conditioning device 9, where the air is enriched with moisture and reaches the fuel cell 1 via the line 8 and the connection 3.
  • This air which is enriched with moisture, catalytically oxidizes hydrogen protons there, usually absorbs the water formed in vapor form and at the same time carries part of the heat generated with it.
  • the air inside the fuel cell 1 is guided along the surface of the cathode so that it can come into intimate contact with the cathode.
  • the term along the cathode in the sense of the invention is not to be understood as a rectilinear flow direction, but rather as a flow guide along the surface of the cathode, which of course can also be meandering or in another suitable arrangement.
  • the then heated and water-enriched air emerges, passes via the line 4 into the conditioning device 5, in which this air releases moisture and heat to the device 5, and finally via the
  • the moisture distribution of the membrane located within the fuel cell 1 can be seen from FIG. 5.
  • the double arrow indicates the air flow directions.
  • a moisture distribution according to the lower straight line 12 is initially established over the length of the membrane in the flow path (for clarification, the connections 3 and 2 are entered on the abscissa of the diagram). That is, the moisture of the membrane increases continuously from connection 3 to connection 2. as is also the case in principle in the continuous flow operation according to the prior art (see FIG. 3).
  • the return flow is initiated by pushing the bellows 7 together, the moisture distribution given by the upper curve 13 is established. While in
  • the area of the first connection 2 remains constant, it changes considerably in the area of the second connection 3, precisely by the amount by which it differs from the moisture in the first connection 2 when the flow is in the opposite direction.
  • the initial drying out in this area is thus completely compensated for, since the bellows 7 is compressed each time it is over-humidified
  • the conditioning devices are shown on the basis of FIGS. 6 and 7, specifically the conditioning device 9 in FIG. 1.
  • This essentially consists of a water-impermeable and heat-conducting housing 14 and a moisture-absorbing material 15 arranged therein.
  • the basic structure of the fuel cell is outlined in FIG. 3, the cathode being 16, the anode 17 and the membrane 18.
  • FIG. 4 differs from that illustrated with reference to FIG. 1 in that instead of the one-sided pressurization by the bellows 7, an alternating pressure on both sides acted upon by a compressor 19.
  • the line connections of the conditioning devices 5 and 9 not connected to the fuel cell 1 are connected via lines 22 and 23 to the connections A and B of a 4/2-way valve, the connection C of which is connected to the pressure line 21 of the compressor 19 and the connection D in the ambient air flows out.
  • the pressure line 21 coming from the compressor 19 is connected to the conditioning device 9, so that a flow in the direction 10 through the fuel cell 1 is established.
  • the air which then emerges from the conditioning device 9 is released into the open via the connection D of the valve 20.
  • the valve 20 is electrically controlled, the reversal takes place cyclically according to an adjustable clock frequency. As soon as the reversal takes place, air from the pressure line 21 passes via the line 23 in the direction 11 through the conditioning device 5 to the fuel cell 1 and via the conditioning device 9 and

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Abstract

Das Verfahren dient zum Betreiben einer Brennstoffzelle (1), insbesondere einer Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membran, bei der die Anode der Brennstoffzelle mit einem Brennstoff führenden Fluid, z.B. Wasserstoff oder Methanol, und die Kathode der Brennstoffzelle mit einem Sauerstoff führenden Fluid beaufschlagt wird. Das Sauerstoff führende Fluid wird in einer Strömung im Wesentlichen längs der Kathode (17) gehalten, wobei die Richtung der Strömung in zeitlichen Abständen geändert wird, um eine partielle Austrocknung der Membran zu vermeiden.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle und Vorrichtung dazu
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, ins- besondere einer Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membran, gemäß den im
Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen sowie eine entsprechende Vorrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens gemäß den im Oberbegriff des Anspruches 3 angegebenen Merkmalen.
Brennstoffzellen werden heutzutage vermehrt eingesetzt um in chemischer Form gespeicherte Energie in elektrische . n; α-vandeln, beispielsweise zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs oder auch als Kraftwerk. Insbesondere für den mobilen Einsatz werden derzeit Brennstoffzellen eingesetzt, bei denen Anode und Kathode durch eine Polymer-Elektrolyt-Membran getrennt sind. Eine solche, auch unter dem Begriff Protonen-Austausch-Membran bekannte Membran ist durch eine Kunststofffolie gebildet, welche zwischen Anode und Kathode angeordnet und welche protonen- und wasserdurchlässig, jedoch elektrisch isolierend, d. h. für Elektronen undurchlässig ist. Während die Anode einer solchen Brennstoffzelle mit Wasserstoff oder auch mit Methanol unmittelbar beaufschlagt wird, wird der für die katalytische Oxidation des Wasserstoffs erforderliche Sauerstoff kathodenseitig zugeführt. Bei dieser katalytischen Oxidation entsteht einerseits elektrische Energie in Form eines Elektronenflusses zwischen Anode und Kathode, andererseits Wärme und das Reaktionsprodukt in Form von Wasser.
Bei bekannten Brennstoffzellen dieser Art wird der Sauerstoff in der Regel nicht als reiner Sauerstoff, sondern in Form von Luft zugeführt, wobei die Luft längs der Oberfläche der Kathode geleitet wird, um einerseits die gewünschte Reaktion zwischen Wasserstoff und dem in der Luft befindlichen Sauerstoff zu erreichen, andererseits die bei der Reaktion entstehende Wärme zusammen mit dem Luftstrom abzuführen und schließlich auch um das meist dampfförmig vorliegende Reaktionsprodukt Wasser aus der Brennstoffzelle herauszutragen. Die Luft wird über Pumpen, Lüfter, durch Konvektion oder bei sehr kleinen Brennstoffzellen auch durch Diffu- sion längs der Kathode in einer vorgegebenen Strömungsrichtung bewegt.
Nachteilig hierbei ist, dass durch die gerichtete Luftbewegung die Membran der Brennstoffzelle regelmäßig im Bereich des Lufteintritts austrocknet, wobei eine trockene Membran für den Prozess nicht nutzbar ist und damit Leistungseinbußen nach sich zieht. Dieses bekannte Problem hat man bisher durch verschiedenste
Maßnahmen zu lösen versucht. So ist es bekannt, die Luft quasi im Zickzack über die Oberfläche der Kathode zu führen, wobei die ein- und abströmseitigen Kanäle unmittelbar nebeneinander angeordnet werden, so dass ein gewisser Feuchtigkeitsaustausch über die Membran stattfinden kann. Auch ist es bekannt, einen Teil des Wasserstoffstroms zum Zwecke der Membranbefeuchtung zurückzufahren.
Da mit zunehmender Temperatur die Verdunstung des Wassers steigt und bei konstantem Feuchtegehalt die relative Luftfeuchtigkeit fällt, tritt dieses Problem verstärkt bei hohen Betriebstemperaturen auf. Man ist deshalb gezwungen, die Betriebs- temperaturen solcher Brennstoffzellen niedrig, d. h. bei beispielsweise maximal 40°
C zu halten, was jedoch den Nachteil hat, dass die Zellen nur im Teillastbereich betrieben werden können. Dies ergibt sich daraus, dass die Protonenleitfähigkeit der Membran beispielsweise bei 80° C doppelt so hoch ist wie bei 40° C.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle so auszubilden, dass das vorerwähnte Problem der Membranaustrocknung nach Möglichkeit nicht oder aber in deutlich verminderter Form auftritt. Darüber hinaus soll eine Vorrichtung bereit gestellt werden, mit der eine Brennstoffzelle entsprechend betrieben werden kann.
Der verfahrensmäßige Teil dieser Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Eine Vorrichtung, mit der diese Aufgabe gelöst wird, ist durch die in Anspruch 3 angegebenen Merkmale gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestal- **>
tungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es. die kathodenseitige Sauerstoff- zufuhr nicht wie bisher in einer im Wesentlichen stets gleichgerichteten Strömung zu fuhren, sondern die Strömungsrichtung zyklisch zu ändern, vorzugsweise periodisch umzukehren. Hierdurch wird erreicht, dass quasi der Eingang der Brennstoffzelle zum Ausgang wird und umgekehrt, wodurch die sich typischerweise in der Membran einstellenden trockenen und feuchten Bereiche wechseln, so dass bei geeigneter Wahl der Umschaltfrequenz die Membran stets die erforderliche Feuchte aufweist.
Beim Richtungswechsel strömt die dann am Eingang anstehende feuchte und warme Luft wieder durch die Brennstoffzelle zurück, wo sie ihre Feuchtigkeit an die trockneren Bereich der Membran abgibt, so dass diese wieder ausreichend befeuchtet sind. Im zeitlichen Mittel erhält man hiermit über die gesamte Brennstoffzelle eine gleichmäßige Befeuchtung. Aufgrund der gleichmäßigen Bc eucht nc kanr die
Betrieteleir.perauir höher gewählt werden und somit die Leistung der Brennstoffzelle steigen. Darüber hinaus ist eine einfache Gestaltung der fluid-. insbesondere gasführenden Kanäle längs der Kathode möglich, da ein Feuchtigkeitsaustausch zwischen verhältnismäßig trockenen und verhältnismäßig feuchten Bereichen nicht mehr notwendig ist.
Für den vorrichtungsmäßigen Aufbau genügt es, mindestens einen ersten und einen zweiten Anschluss eines Strömungskanals vorzusehen, der längs der Kathode, d. h. über die Oberfläche der Kathode der Brennstoffzelle geführt ist und zur Sauerstoff- zufuhr dient, und dabei abwechselnd den ersten und den zweiten Anschluss als
Eingang bzw. als Ausgang zu schalten. In einfachster Form kann dies dadurch erfolgen, dass einer dieser beiden Anschlüsse mit dem Innenraum einer Verdrängerpumpe leitungsverbunden wird, während der andere Anschluss ggf. unter Zwischenschaltung von Filtern oder weiter unten noch im Einzelnen erläuterten Luftkonditio- nierungseinrichtungen mit der Außenatmosphäre verbunden wird. Als Verdrängerpumpe kann beispielsweise ein Faltenbalg, eine Kolbenpumpe oder auch eine Membranpumpe dienen, deren Innenraum bis auf die Leitungsverbindung zum Anschluss der Brennstoffzelle hermetisch abgeschlossen ist. Das Hubvolumen der Verdrängerpumpe sollte allerdings ein Mehrfaches des kathodenseitigen Kanalvolumens der Brennstoffzelle betragen, damit gewährleistet ist, dass beim Füllen des Innenraums der Verdrängerpumpe, also beispielsweise beim Ausziehen des Faltenbalgs zunächst die Luft aus der Atmosphäre durch die Brennstoffzelle in den Falten- balg angesaugt wird, um beim nachfolgenden Entleeren, also beim Zusammendrücken des Faltenbalgs dann in entgegengesetzter Strömungsrichtung wiederum durch die Brennstoffzelle strömen und großteils wieder in die Atmosphäre austreten zu können.
Beim Einsatz einer Kolbenpumpe, einer Membranpumpe oder eines entsprechend durch einen Elektromotor angetriebenen Faltenbalgs wird die Frequenz, mit der die Strömungsrichtung innerhalb der Brennstoffzelle kathodenseitig geändert wird, durch entsprechende Wahl der Motordrεhzahl des Exzentertriebs eingestellt werden. Diese Frequenz richtet sich im Wesentlichen nach dem Kanalvolumen der Brennstoffzelle. der Leitungen und den ggf. zwischengeschalteten Konditionierungseinrichtungen sowie dem Hubvolumen der Pumpe und kann in der Regel mit wenigen Versuchen ermittelt werden.
Üblicherweise erfolgt die Luftversorgung solcher Brennstoffzellen über eine Druck- erhöhungseinrichtung, beispielsweise einen Kompressor. Beim Einsatz eines solchen Kompressors ist es zweckmäßig der Druckleitung des Kompressors ein Umschaltventil nachzuschalten, das abgangsseitig mit dem ersten und dem zweiten Anschluss des kathodenseitigen Strömungskanals der Brennstoffzelle verbunden ist, so dass durch Umschalten des Ventils die Druckleitung des Kompressors mit dem ersten oder dem zweiten Anschluss erfolgt. In diesem Fall ist die Umschaltfrequenz entsprechend zu wählen. Als Ventil eignet sich ein 4/2-Wegeventil, das vorzugsweise elektrisch oder auch pneumatisch, beispielsweise durch die Druckleitung des Kompressors selbst steuerbar ist. Dabei wird das Umschaltventil auf der einen Seite mit dem ersten und zweiten Anschluss der Brennstoffzelle verbunden und auf der anderen Seite mit der Druckleitung des Kompressors sowie der Atmosphäre.
Es versteht sich, dass anstelle des Kompressors auch ein Druckspeicher oder eine beliebige andere Druckerhöhungsanlage eingesetzt sein kann. Anstelle des Um- schaltventils kann die Brennstoffzelle auch mit zwei Druckerhöhungseinrichtungen, beispielsweise zwei Kompressoren beaufschlagt werden, wobei dann durch entsprechende Ventilanordnungen sicherzustellen ist, dass die Durchströmung der Kathodenseite der Brennstoffzelle je nach eingeschaltetem Kompressor in die eine oder die andere Richtung erfolgen kann. Es ist dann also für jede Strömungsrichtung eine gesonderte Druckerhöhungseinrichtung vorgesehen, die zyklisch an- und ab- bzw. ab- und angeschaltet wird.
Bevorzugt wird die Luft der Brennstoffzelle nicht direkt zugeführt, sondern zunächst einer Luftkonditionierungseinrichtung. Da sich die Strömungsrichtung gemäß der
Erfindung periodisch ändert, sind zweckmäßigerweise zwei Luftkonditionierungs- einrichtungen zu beiden Seiten der Brennstoffzelle vor- bzw. nachzuschalten. In diesen Luftkonditionierungseinrichtungen soll die frisch in das System einströmende Luft mit Feuchtigkeit angereichert werden, umgekehrt soll die aus dem System ausströmende Luft Feuchtigkeit abgeben sowie die mittels der Luft mitgeführte
Abwärme abführen. Zweckmäßigerweise wird hierzu ein Strömungsraum geschaffen, der Feuchtigkeit aufnehmendes Material wie beispielsweise Baumwolle oder Kohle aufweist und der in der Lage ist, über seine beispielsweise metallische Außenwand Wärme abzugeben. Insofern eignet sich insbesondere eine Verdränger- pumpe zur Aufnahme einer solchen Luftkonditionierungseinrichtung. Beispielsweise beim Einsatz einer Kolbenpumpe kann der gesamte Zylinder zur Wärmeabfuhr dienen, wohingegen auf dem Kolbenboden entsprechendes Material zur Absorption von Feuchtigkeit vorgesehen sein kann. Besonders einfach ist es, die Wärmeabfuhr durch Konvektion zu erzielen, es kann jedoch auch insbesondere bei größeren Anlagen eine separate Kühlung vorgesehen sein.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die mit einer Verdrängerpumpe arbeitet, Fig. 2 in schematischer Darstellung eine Ausfuhrungsvariante, die mit einem Kompressor und einem Umschaltventil arbeitet,
Fig. 3 die sich bei einer Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik ein- stellende Feuchte über den Weg längs der Membran-Elektroden-
Einheit bei kontinuierlicher Durchströmung,
Fig. 4 die Verteilung der Feuchte bei einer Durchströmung gemäß Fig. 2,
Fig. 5 die Verteilung der Feuchte bei einer Durchströmung gemäß Fig. 1,
Fig. 6 den prinzipiellen Aufbau einer Luftkonditionierungseinrichtung am
Ausgang der Brennstoffzelle und
Fig. 7 am Eingang der Brennstoffzelle.
In Fig, 1 ist mit 1 eine Brennstoffzelle mit Polymer-Elektroiyt-Membran bezeichnet. Diese Brennstoffzelle 1 wird in üblicher Weise anodenseitig mit Wasserstoff beaufschlagt und kathodenseitig mit Sauerstoff bzw. bei der Ausführung gemäß Fig. 1 mit atmosphärischer Luft. In Fig. 1 ist lediglich die kathodenseitige Führung der
Luftströmung dargestellt. Der durch die Kathode der Brennstoffzelle sich längs dieser, insbesondere über deren Oberfläche verteilt erstreckende Strömungskanal weist einen ersten Anschluss 2 an einem Ende sowie einen zweiten Anschluss 3 am anderen Ende auf. Der Anschluss 2 ist über eine Leitung 4 mit einer Konditionie- rungseinrichtung 5 verbunden, die wiederum über eine Leitung 6 mit einer Verdrängerpumpe in form eines abgeschlossenen Faltenbalgs 7 leitungsverbunden ist. Der Faltenbalg ist in an sich bekannter Weise derart antreibbar, dass er sein Innenvolumen durch Zusammenpressen verkleinert bzw. durch Auseinanderziehen vergrößert. Der zweite Anschluss 3 ist über eine Leitung 8 mit einer Konditionierungs- einrichtung 9 verbunden, die im Aufbau der Konditionierungseinrichtung 5 entspricht und mit der Außenatmosphäre verbunden ist. Durch Auseinanderziehen des Faltenbalgs 7 strömt Luft zunächst in die Konditionierungseinrichtung 9, wo die Luft mit Feuchtigkeit angereichert wird und über die Leitung 8 und den Anschluss 3 in die Brennstoffzelle 1 gelangt. Diese mit Feuchtigkeit angereicherte Luft oxidiert dort katalytisch Wasserstoffprotonen, nimmt das dabei entstehende Wasser in der Regel in dampfförmiger Form auf und führt gleichzeitig einen Teil der dabei entstehenden Wärme mit. Die Führung der Luft innerhalb der Brennstoffzelle 1 erfolgt längs der Oberfläche der Kathode, so dass diese in innigen Kontakt mit der Kathode treten kann. Unter längs der Kathode im Sinne der Erfindung ist dabei nicht eine geradlinige Strömungsrichtung zu verstehen, sondern vielmehr eine Strömungsführung längs der Oberfläche der Kathode, die natürlich auch mäanderformig oder in anderer geeigneter Anordnung sein kann.
Am Anschluss 2 tritt die dann erwärmte und mit Wasserdampf angereicherte Luft aus, gelangt über die Leitung 4 in die Konditionierungseinrichtung 5, in der diese Luft Feuchtigkeit und Wärme an die Einrichtung 5 abgibt, um schließlich über die
Leitung 6 in das Innere des Faltenbalgs 7 zu gelangen. Sobald der Au'.fahihub des Faltenbalgs erreicht ist, erfolgt eine Bewegungsumkehr, d. h. der Faltenbalg 7 wird zusammengedrückt, so dass sich eine Strömung in Richtung 11 ergibt. Da der Faltenbalg nur über die Leitung 6 offen ist, strömt nun die darin befindliche Luft wiederum durch die Leitung 6 in die Konditionierungseinrichtung 5. wo sie mit Feuchtigkeit angereichert wird, dann über die Leitung 4 zum Anschluss 2 der Brennstoffzelle 1. Über den Anschluss 3 tritt sie aus der Brennstoffzelle 1 aus und gelangt über die Leitung 8 in die Konditionierungseinrichtung 9, in der sie wiederum Wärme und Feuchtigkeit abgibt, bevor sie in die Außenatmosphäre strömt. Mit der Richtungs- umkehr der Bewegung des Faltenbalgs 7 erfolgt unmittelbar auch eine Strömungsumkehr innerhalb der Brennstoffzelle 1.
Die Feuchtigkeitsverteilung der innerhalb der Brennstoffzelle 1 befindlichen Membran ist dabei anhand von Fig. 5 ersichtlich. Der Doppelpfeil kennzeichnet die Durchströmungsrichtungen der Luft. Beim Ausfahren des Faltenbalgs 7 in der vorbeschriebenen Weise stellt sich über die Länge der Membran im Strömungsweg (zur Verdeutlichung sind die Anschlüsse 3 und 2 auf der Abszisse des Diagramms eingetragen) zunächst eine Feuchtigkeitsverteilung gemäß der unteren Gerade 12 ein. D. h. die Feuchtigkeit der Membran nimmt vom Anschluss 3 zum Anschluss 2 kontinuierlich zu. so wie dies auch beim kontinuierlichen Durchströmungsbetrieb gemäß Stand der Technik (siehe Fig. 3) prinzipiell der Fall ist. Wenn jedoch durch Zusammenschieben des Faltenbalgs 7 die Rückströmung eingeleitet wird, stellt sich die durch die obere Kurve 13 gegebene Feuchtigkeitsverteilung ein. Während sie im
Bereich des ersten Anschlusses 2 konstant bleibt, verändert sie sich im Bereich des zweiten Anschlusses 3 erheblich, und zwar genau um das Maß, um das sie sich von der Feuchte im ersten Anschluss 2 bei Strömung in Gegenrichtung unterscheidet. Die anfängliche Austrocknung in diesem Bereich wird also vollständig kompensiert, da bei jedem Zusammendrücken des Faltenbalgs 7 eine Überfeuchtung in diesem
Bereich stattfindet.
Anhand der Figuren 6 und 7 sind die Konditionierungseinrichtungen dargestellt, und zwar die Konditionierungseinrichtung 9 in Fig. 1. Diese besteht im Wesentlichen aus einem wasserundurchlässigen und wärmeleitenden Gehäuse 14 sowie einem darin angeordneten Feuchtigkeit aufnehmenden Material 15.
Die beim Entleeren (Zusammendrücken) des Faltenbalgs 7 in Richtung 11 aus der Brennstoffzelle 1 ausströmende erwärmte und mit Wasser angereicherte Luft gelangt in die Konditionierungseinrichtung 9 (siehe Fig. 6), wo ein Teil des darin befindlichen Wasserdampfes kondensiert und von dem Material 15 aufgenommen wird. Wärme wird über das Gehäuse 14 abgeleitet. Wenn dann der Faltenbalg aufgezogen, d. h. im Volumen vergrößert wird, folgt eine Richtungsumkehr, so dass die dann in Richtung 10 aus der Umgebung einströmende Luft an dem Material 15 vorbeiströmt und das dort eingelagerte Wasser aufnimmt, um dann in die Brennstoffzelle 1 einzutreten.
Der prinzipielle Aufbau der Brennstoffzelle ist in Fig. 3 skizziert, wobei die Kathode mit 16, die Anode mit 17 und die Membran mit 18 beziffert ist.
Anhand von Fig. 4 ist eine Ausführungsvariante beschrieben, die sich von der anhand von Fig. 1 dargestellten dadurch unterscheidet, dass anstelle der einseitigen Druckbeaufschlagung durch den Faltenbalg 7 eine abwechselnde beidseitige Druck- beaufschlagung durch einen Kompressor 19 erfolgt. Die nicht mit der Brennstoffzelle 1 verbundenen Leitungsanschlüsse der Konditionierungseinrichtungen 5 und 9 sind über Leitungen 22 und 23 mit den Anschlüssen A und B eines 4/2-Wegeventils verbunden, dessen Anschluss C mit der Druckleitung 21 des Kompressors 19 verbunden ist und dessen Anschluss D in die Umgebungsluft mündet. In der dargestellten Schaltstellung ist die vom Kompressor 19 kommende Druckleitung 21 mit der Konditionierungseinrichtung 9 verbunden, so dass sich eine Durchströmung in Richtung 10 durch die Brennstoffzelle 1 einstellt. Die dann aus der Konditionierungseinrichtung 9 austretende Luft gelangt über den Anschluss D des Ventils 20 ins Freie.
Das Ventil 20 ist elektrisch gesteuert, die Umsteuerung erfolgt taktweise nach einer einstellbaren Taktfrequenz. Sobald die Umsteuerung erfolgt, gelangt Luft aus der Druckleitung 21 über die Leitung 23 in Richtung 11 durch die Konditionierungsein- richtung 5 zur Brennstoffzelle 1 und über die Konditionierungseinrichtung 9 und die
Leitung 22 zum Anschluss D des Ventils 20 ins Freie. Die sich bei diesem Betrieb ergebende Feuchteverteilung ist die aus Fig. 4 ersichtliche, wobei die Kurve 24 der Durchströmungsrichtung 10 und die Kurve 25 der Durchströmungsrichtung 11 entspricht. Wie die Fig. 4 zeigt, ist bei dieser Betriebsart die Feuchte in der Mitte zwischen den Anschlüssen 2 und 3 konstant, während sie sich an den Enden der
Strömungsstrecke innerhalb der Brennstoffzelle je nach Durchströmungsrichtung ändert. Wie das Diagramm jedoch veranschaulicht, entsteht an keiner Stelle der Membran, zumindest wenn man den Gesamtzyklus beider Strömungsrichtungen betrachtet, eine Zone geringerer Feuchte.
Bezugszeichenliste
1 Brennstoffzelle
2 erster Anschluss
3 zweiter Anschluss
4 Leitung
5 Konditionierungseinrichtung
6 Leitung
7 Faltenbalg
8 Leitung
9 Konditionierungseinrichtung
10 Richtung
11 Richtung i2 untere Kurve in Fig. 5
13 obere Kurve in Fig. 5
14 Gehäuse
15 Feuchtigkeit aufnehmendes und abgebendes Material
16 Kathode
17 Anode
18 Membran
19 Kompressor
20 Umschaltventil
21 Druckleitung
22 Leitung
23 Leitung
24 Kurve in Fig. 4
25 Kurve in Fig. 4

Claims

A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM-Membran). bei dem die
10 Anode der Brennstoffzelle mit einem Brennstoff führenden Fluid. zum
Beispiel Wasserstoff oder Methanol, und die Kathode der Brennstoffzelle mit einem Sauerstoff führenden Fluid beaufschlagt wird, wobei das Sauerstoff führende Fluid in einer Strömung im Wesentlichen längs der Kathode gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Strömung des i 5 Sauerstoff führenden Fluids in zeitlichen Abständen, geändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Strömung periodisch umgekehrt wird.
0 3. Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle, insbesondere zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Brennstoffzelle ( 1 ), deren Kathode ( 16) einen Strömungskanal für ein Sauerstoff führendes Fluid seitlich begrenzt, der mindestens einen ersten Anschluss (2) und einen zweiten Anschluss (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass 5 Mittel (7, 19, 20) vorgesehen sind, welche das Sauerstoff führende Fluid abwechselnd dem ersten und dem zweiten Anschluss zuführen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden
Anschlüsse (2) mit dem Innenraum einer Verdrängerpumpe (7) leitungs- 0 verbunden ist. der mittels eines Antriebs abwechselnd gefüllt und entleert wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sauerstoff führende Fluid aus einem Druckspeicher oder mittels einer Druckerhöhungseinrichtung, insbesondere eines Kompressors (19) oder einer Pumpe, zugeführt wird, dem bzw. der ein Umschaltventil (20) zum abwechselnden Verbinden mit dem ersten und dem zweiten Anschluss (2, 3) nachgeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (20) ein 4/2- Wegeventil ist, das elektrisch oder pneumatisch steuerbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sauerstoff führende Fluid mittels zweier Druckerhöhungsanlagen ( 19) zugeführt wird, wobei die eine Druckerhöhungsanlage mit dem ersten (2) und die andere mit dem zweiten Anschluss (3) leitungsverbunden ist und diese abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der als Sauerstoffführendes Fluid Luft eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten und dem zweiten Anschluss (2, 3) jeweils eine Luftkonditionierungs- einrichtung (5, 9) vorgeschaltet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konditionierungseinrichtung (5, 9) der aus dem kathoden- seitigen Strömungskanal der Brennstoffzelle ( 1 ) austretenden Luft Feuchtigkeit entzieht und gegenüber der in umgekehrter Richtung strömenden Luft Feuchtigkeit abgibt.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Konditionierungseinrichtung (5, 9) der aus dem kathodenseitigen Strömungskanal der Brennstoffzelle (1) austretenden Luft Wärme entzieht und zumindest teilweise an die Umgebung oder ein Kühlmedium abgibt.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konditionierungseinrichtung (5, 9) eine zumindest einseitig Feuchtigkeit aufnehmende Wandung (15) aufweist, deren Außenseite (14) der Kühlung dient.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konditionierungseinrichtung Teil der verdrängeφumpe, insbesondere des innenliegenden Pumpenraumes ist.
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