WO2003028136A2 - Electrolytic polymer membrane fuel cell and method for using same - Google Patents

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WO2003028136A2
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell and a fuel cell adapted for this method.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • a polymer electrolyte membrane fuel cell has a cathode, a polymer electrolyte membrane and an anode.
  • the cathode becomes an oxidizing agent, e.g. B. air or oxygen and the anode becomes a
  • Fuel e.g. B. hydrogen or methanol.
  • the operating temperature of a PEM fuel cell is approx. 80 ° C.
  • Protons are formed on the anode of a PEM fuel cell in the presence of the fuel using a catalyst. The protons pass through the electrolyte and combine on the cathode side with the oxygen from the oxidizing agent to form water. Electrons are released and electrical energy is generated.
  • fuel cell stack As a rule, several fuel cells are electrically and mechanically connected to one another by connecting elements in order to achieve high electrical outputs. This arrangement is called a fuel cell stack.
  • methane or methanol can be provided as fuel.
  • the fuels mentioned are converted into hydrogen or hydrogen-rich gas by reforming or oxidation. Air or pure oxygen is often used as the oxidizing agent.
  • the PEM fuel cells regularly work with a high excess of oxygen in order to prevent mass transport inhibitions and the inflow of the cathode by permeated and produced water (flooding). This requires high compressor performance and adversely reduces system efficiency.
  • the object of the invention is to provide a method for operating a PEM fuel cell, in which the system efficiency is improved compared to the aforementioned prior art. Furthermore, it is the object of the invention to provide a PEM fuel cell adapted for this method.
  • the object of the invention is achieved by a method for operating a PEM fuel cell according to
  • the method according to the invention for operating a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell is characterized in that the oxidizing agent is supplied at least partially physically dissolved in a liquid to the cathode.
  • the oxidizing agent for example air or pure oxygen
  • a suitable liquid outside the fuel cell in an enrichment unit Suitable liquids have a correspondingly high solubility for oxygen.
  • High solubility means an amount of more than 10 ml of dissolved oxygen, in particular more than 20 ml (STP) in 50 ml of liquid.
  • STP 20 ml
  • suitable liquids include, in particular, the perfluorocarbons, which are already known from medical technology for liquid ventilation.
  • the oxygen which is at least partially physically dissolved in the liquid, is fed to the cathode and reacts there to take up electrons and protons to form water.
  • the liquid which contains the oxidizing agent in dissolved form is advantageously immiscible with water.
  • the liquid becomes together with the water, which is produced in or through the cathode compartment
  • Membrane is permeated, discharged from the cathode compartment and outside of the fuel cell in a simple manner separated from the liquid. This can be done, for example, solely on the basis of the density differences between the two liquids. The separated water can be returned to the anode, for example.
  • the enrichment with oxygen or air can advantageously take place under normal pressure or with only a slight excess pressure. This regularly reduces the compressor capacity, as would otherwise have been necessary for the compression of the gaseous oxidizing agent. At the same time, the inhibition of mass transport is prevented.
  • An advantageous embodiment of the method provides a circulation of the liquid to and from the cathodic catalyst layer, the enrichment of the liquid with the oxidizing agent advantageously taking place outside the fuel cell.
  • Another advantage of the method according to the invention is the improved heat dissipation from the fuel cell.
  • the liquid and water from the cathode compartment are better able than a gas to effectively remove excess heat from the fuel cell.
  • the enrichment unit can be designed as a cooler at the same time.
  • an effective circulation can be carried out in which the liquid is repeatedly enriched with the oxidizing agent under simple conditions can be.
  • the liquid is inert and is not consumed during the operation of the fuel cell.
  • the water generated in the cathode is simply and effectively separated.
  • the system pressure can be increased with low energy losses. This enables higher working temperatures within the fuel cell and thus an improved performance of the entire fuel cell stack.
  • the external enrichment unit in connection with a cooling further result in a very compact construction of the fuel cell or a fuel cell stack (stack), since there is no need for additional cooling plates in the stack.
  • the method according to the invention for operating a fuel cell uses perfluorodecalin from F2 Chemicals Ltd. as a liquid with a high oxygen solubility. on.
  • This liquid has a boiling point of approx. 140 ° C and is therefore particularly suitable for low-temperature fuel cells.
  • Perfluorodecalin is a completely fluorinated, odorless and colorless liquid. It is almost inert, non-flammable, has very good chemical and physical stabilities, is only slightly toxic and has extremely good gas solubility.
  • the fuel cell cathode is supplied exclusively with oxygen dissolved in the liquid.
  • a two-phase flow can be provided, in which both the liquid and the additional gaseous oxidizing agent flow.
  • a continuous exchange of substances between the phases takes place within the cathode. This is particularly advantageous where different areas before they are in the cathode, some of which can be better supplied by the liquid and others better by the gas phase.
  • the product water generated in the cathode is discharged from the fuel cell as an additional liquid phase due to the insolubility of perfluorodecalin.
  • the cathode can be supplied both continuously and discontinuously, that is to say, it is advantageously possible to switch between the supply types shown during operation.
  • the enrichment can take place, for example, outside the fuel cell in a bubble column in which an air or oxidant stream is passed through the liquid.
  • Approx. 127 g / s of PFD have to be pumped in order to transport the required oxygen to the cathode. This corresponds to a mass flow of approx. 0.122 kg PFD / s, provided that this is completely saturated with atmospheric oxygen.

Abstract

The invention concerns an electrolytic polymer membrane fuel cell wherein the oxidizing agent is supplied to the cathode physically dissolved in a liquid. An enrichment unit external to the fuel cell serves to physically dissolve, at least partly, the oxidizing agent in an adapted liquid, in normal or low excess pressure conditions. Thus it is possible to reduce the compression power on the cathode side. In a particular embodiment, said liquid is not miscible with water such that the water produced on the cathode side can be simply extracted from the cathode region as a second phase, and then separated. The liquid flowing through the cathode is much more adapted than a gas for collecting the heat produced in the fuel cell, and for simply evacuating the liquid outside the fuel cell. Since said liquid does not react either with water or with the oxidizing agent, it can advantageously be circulated.

Description

Beschreibung description
Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) Brennstoffzelle sowie Verfahren zum Betreiben derselbenPolymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell and method for operating the same
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) Brennstoffzelle sowie eine für dieses Verfahren angepaßte Brennstoffzelle.The invention relates to a method for operating a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell and a fuel cell adapted for this method.
Stand der TechnikState of the art
Eine Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle weist eine Kathode, eine Polymer-Elektrolyt-Membran sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxidationsmittel, z. B. Luft oder Sauerstoff und der Anode wird einA polymer electrolyte membrane fuel cell has a cathode, a polymer electrolyte membrane and an anode. The cathode becomes an oxidizing agent, e.g. B. air or oxygen and the anode becomes a
Brennstoff, z. B. Wasserstoff oder Methanol zugeführt.Fuel, e.g. B. hydrogen or methanol.
Die Betriebstemperatur einer PEM-Brennstoffzelle liegt bei ca. 80° C. An der Anode einer PEM-Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Brennstoffs, mittels eines Katalysators, Protonen. Die Protonen passieren den Elektrolyten und verbinden sich auf der Kathodenseite mit dem vom Oxidationsmittel stammenden Sauerstoff zu Wasser. Elektronen werden dabei freigesetzt und elektrische Energie erzeugt.The operating temperature of a PEM fuel cell is approx. 80 ° C. Protons are formed on the anode of a PEM fuel cell in the presence of the fuel using a catalyst. The protons pass through the electrolyte and combine on the cathode side with the oxygen from the oxidizing agent to form water. Electrons are released and electrical energy is generated.
Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzielung großer elektrischer Leistungen durch verbindende Elemente elektrisch und mechanisch miteinander verbun- den. Diese Anordnung wird Brennstoffzellenstapel genannt . Als Brennstoff kann unter anderem Methan oder Methanol vorgesehen werden. Die genannten Brennstoffe werden durch Reformierung oder Oxidation u. a. in Wasserstoff oder Wasserstoffreiches Gas umgewandelt. Als Oxidationsmittel wird häufig Luft oder reiner Sauerstoff eingesetzt. Die PEM-Brennstoffzellen arbeiten regelmäßig mit einem hohen Überschuß an Sauerstoff, um Massentransporthemmungen und das Zulaufen der Kathode durch permeiertes und produziertes Wasser (Flooding) zu verhindern. Dies erfordert eine hohe Kompressorleistung und reduziert nachteilig den Systemwirkungsgrad.As a rule, several fuel cells are electrically and mechanically connected to one another by connecting elements in order to achieve high electrical outputs. This arrangement is called a fuel cell stack. Among other things, methane or methanol can be provided as fuel. The fuels mentioned are converted into hydrogen or hydrogen-rich gas by reforming or oxidation. Air or pure oxygen is often used as the oxidizing agent. The PEM fuel cells regularly work with a high excess of oxygen in order to prevent mass transport inhibitions and the inflow of the cathode by permeated and produced water (flooding). This requires high compressor performance and adversely reduces system efficiency.
Aus DE 198 048 80 ist bekannt, flüssiges Oxidationsmittel für die Kathode einer Brennstoffzelle einzusetzen. Der Sauerstoff wird dabei als chemisch gebundener Sauerstoff, beispielsweise als wäßrige H202 Lösung, transportiert. Nachteilig verbraucht sich die Flüssigkeit während des Durchgangs durch die Kathode, was zu erhöhten Kosten führt .From DE 198 048 80 it is known to use liquid oxidizing agent for the cathode of a fuel cell. The oxygen is transported as chemically bound oxygen, for example as an aqueous H 2 0 2 solution. The liquid is disadvantageously consumed during passage through the cathode, which leads to increased costs.
Aufgabe und LösungTask and solution
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer PEM-Brennstoffzelle zu schaffen, bei dem der Systemwirkungsgrad gegenüber dem vorgenannten Stand der Technik verbessert wird. Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung, eine für dieses Verfahren angepaßte PEM- Brennstoffzelle bereit zu stellen.The object of the invention is to provide a method for operating a PEM fuel cell, in which the system efficiency is improved compared to the aforementioned prior art. Furthermore, it is the object of the invention to provide a PEM fuel cell adapted for this method.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfah- ren zum Betreiben einer PEM-Brennstoffzelle gemäßThe object of the invention is achieved by a method for operating a PEM fuel cell according to
Hauptanspruch sowie einer PEM-Brennstoffzelle gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen für die Brennstoffzelle sowie für das Verfahren ergeben sich aus den jeweils darauf rückbezogenen Ansprüchen.Main claim and a PEM fuel cell according to the secondary claim. Advantageous embodiments for the The fuel cell and the method result from the claims that refer back to each.
Gegenstand der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) Brennstoffzelle, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationsmittel zumindest teilweise physikalisch gelöst in einer Flüssigkeit der Kathode zugeführt wird. Dazu wird das Oxidations- mittel, beispielsweise Luft oder auch reiner Sauerstoff, außerhalb der Brennstoffzelle in einer Anreicherungseinheit in einer geeigneten Flüssigkeit zumindest teilweise physikalisch gelöst. Geeignete Flüssigkeiten weisen eine dementsprechend hohe Löslichkeit für Sauer- stoff auf. Unter hoher Löslichkeit ist eine Menge von mehr als 10 ml gelöster Sauerstoff, insbesondere mehr als 20 ml (STP) in 50 ml Flüssigkeit zu verstehen. Zu diesen geeigneten Flüssigkeiten zählen insbesondere die Perfluorkarbone, die schon aus der Medizintechnik für die Flüssig-Beatmung bekannt sind.OBJECT OF THE INVENTION The method according to the invention for operating a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell is characterized in that the oxidizing agent is supplied at least partially physically dissolved in a liquid to the cathode. For this purpose, the oxidizing agent, for example air or pure oxygen, is at least partially physically dissolved in a suitable liquid outside the fuel cell in an enrichment unit. Suitable liquids have a correspondingly high solubility for oxygen. High solubility means an amount of more than 10 ml of dissolved oxygen, in particular more than 20 ml (STP) in 50 ml of liquid. These suitable liquids include, in particular, the perfluorocarbons, which are already known from medical technology for liquid ventilation.
Der in der Flüssigkeit zumindest teilweise physikalisch gelöste Sauerstoff wird der Kathode zugeführt und reagiert dort unter Aufnahme von Elektronen und Protonen zu Wasser.The oxygen, which is at least partially physically dissolved in the liquid, is fed to the cathode and reacts there to take up electrons and protons to form water.
Vorteilhaft ist die Flüssigkeit, die das Oxidationsmittel in gelöster Form enthält, nicht mit Wasser mischbar. Die Flüssigkeit wird zusammen mit dem Wasser, wel- ches im Kathodenraum produziert wird oder durch dieThe liquid which contains the oxidizing agent in dissolved form is advantageously immiscible with water. The liquid becomes together with the water, which is produced in or through the cathode compartment
Membran permeiert ist, aus dem Kathodenraum ausgetragen und außerhalb der Brennstoffzelle auf einfache Weise von der Flüssigkeit abgetrennt. Dies kann beispielsweise allein aufgrund der Dichteunterschiede der beiden Flüssigkeiten erfolgen. Das abgetrennte Wasser kann beispielsweise wieder der Anode zugeführt werden.Membrane is permeated, discharged from the cathode compartment and outside of the fuel cell in a simple manner separated from the liquid. This can be done, for example, solely on the basis of the density differences between the two liquids. The separated water can be returned to the anode, for example.
Weiterhin kann die Anreicherung mit Sauerstoff oder Luft vorteilhaft unter Normaldruck oder bei nur leichtem Überdruck erfolgen. Dadurch reduziert sich regelmäßig die Verdichterleistung, wie sie andernfalls für die Kompression des gasförmig zugeführten Oxidationsmittel notwendig gewesen wäre. Gleichzeitig wird die Massentransporthemmung verhindert .Furthermore, the enrichment with oxygen or air can advantageously take place under normal pressure or with only a slight excess pressure. This regularly reduces the compressor capacity, as would otherwise have been necessary for the compression of the gaseous oxidizing agent. At the same time, the inhibition of mass transport is prevented.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht eine Kreislaufführung der Flüssigkeit zur und von der kathodischen Katalysatorschicht vor, wobei die Anreicherung der Flüssigkeit mit dem Oxidationsmittel vorteilhaft außerhalb der Brennstoffzelle stattfindet.An advantageous embodiment of the method provides a circulation of the liquid to and from the cathodic catalyst layer, the enrichment of the liquid with the oxidizing agent advantageously taking place outside the fuel cell.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der verbesserten Wärmeabfuhr aus der Brennstoffzelle. Die Flüssigkeit und das Wasser aus dem Kathodenraum sind besser als ein Gas in der Lage, überschüssige Wärme aus der Brennstoffzelle effektiv auszu- tragen. Die Anreicherungseinheit kann in diesem Fall gleichzeitig als Kühler ausgebildet werden.Another advantage of the method according to the invention is the improved heat dissipation from the fuel cell. The liquid and water from the cathode compartment are better able than a gas to effectively remove excess heat from the fuel cell. In this case, the enrichment unit can be designed as a cooler at the same time.
Insgesamt kann durch die Verwendung einer Flüssigkeit, die das Oxidationsmittel nur physikalisch gelöst ent- hält, eine effektive Kreislaufführung durchgeführt werden, bei der die Flüssigkeit unter einfachen Bedingungen immer wieder mit dem Oxidationsmittel angereichert werden kann. Die Flüssigkeit ist inert und wird während des Betriebes der Brennstoffzelle nicht verbraucht. Das in der Kathode entstehende Wasser wird einfach und effektiv abgetrennt. Insbesondere ergibt sich der Vorteil, das der Systemdruck mit geringen Energieverlusten erhöht werden kann. Dies ermöglicht höhere Arbeitstemperaturen innerhalb der Brennstoffzelle und damit eine verbesserte Leistung des gesamten Brennstoffzellensta- pels .Overall, by using a liquid that only contains the oxidizing agent in a physically dissolved form, an effective circulation can be carried out in which the liquid is repeatedly enriched with the oxidizing agent under simple conditions can be. The liquid is inert and is not consumed during the operation of the fuel cell. The water generated in the cathode is simply and effectively separated. In particular, there is the advantage that the system pressure can be increased with low energy losses. This enables higher working temperatures within the fuel cell and thus an improved performance of the entire fuel cell stack.
Die externe Anreicherungseinheit in Zusammenhang mit einer Kühlung bewirken weiterhin -eine sehr kompakte Bauweise der Brennstoffzelle, bzw. eines Brennstoffzel- lenstapels (stack) , da auf zusätzliche Kühlplatten im Stack verzichtet werden kann.The external enrichment unit in connection with a cooling further result in a very compact construction of the fuel cell or a fuel cell stack (stack), since there is no need for additional cooling plates in the stack.
Spezieller BeschreibungsteilSpecial description part
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, ohne daß der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird.The subject matter of the invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment, without the subject matter of the invention being restricted thereby.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle setzt als Flüssigkeit mit einer hohen Sauerstofflöslichkeit Perfluordekalin der Firma F2 Chemicals Ltd. ein.The method according to the invention for operating a fuel cell uses perfluorodecalin from F2 Chemicals Ltd. as a liquid with a high oxygen solubility. on.
Diese Flüssigkeit weist einen Siedepunkt von ca. 140 °C auf und ist damit insbesondere für Niedertemperatur- Brennstoffzellen geeignet. Gemäß der technischen Hin- weise der Firma F2 Chemicals Ltd. ist Perfluordekalin eine vollständig fluorierte, geruchs- und farblose Flüssigkeit. Sie ist nahezu inert, nicht entflammbar, weist sehr gute chemische und physikalische Stabilitäten auf, ist nur gering toxisch und weist eine extrem gute Gaslöslichkeit auf.This liquid has a boiling point of approx. 140 ° C and is therefore particularly suitable for low-temperature fuel cells. According to the technical instructions of F2 Chemicals Ltd. Perfluorodecalin is a completely fluorinated, odorless and colorless liquid. It is almost inert, non-flammable, has very good chemical and physical stabilities, is only slightly toxic and has extremely good gas solubility.
Weitere physikalische Eigenschaften sind der folgenden Tabelle zu entnehmen.Further physical properties can be found in the following table.
Siedepunkt [ ° C] 142 Molekulargewicht [g/Mol ] 462 Dichte [kg/L] 1 , 917 kinematische Viskosität [mm2/s] 2 , 66 dynamische Viskosität [mPa s] 5 , 10 Oberflächenspannung [mN/m] 17 , 6 Dampfdruck [mbar] 8 , 8 Sauerstofflöslichkeit [ml ( STP) / 100 g] 24 , 4Boiling point [° C] 142 molecular weight [g / mol] 462 density [kg / L] 1, 917 kinematic viscosity [mm 2 / s] 2, 66 dynamic viscosity [mPa s] 5, 10 surface tension [mN / m] 17, 6 vapor pressure [mbar] 8, 8 oxygen solubility [ml (STP) / 100 g] 24, 4
Kohlendioxidlöslichkeit [ml (STP) /100 g] 93Carbon dioxide solubility [ml (STP) / 100 g] 93
Es können unterschiedliche Betriebsmodi eingestellt werden.Different operating modes can be set.
Zum einen wird die Brennstoffzellenkathode ausschließlich mit in der Flüssigkeit gelöstem Sauerstoff versorgt .On the one hand, the fuel cell cathode is supplied exclusively with oxygen dissolved in the liquid.
Zum anderen kann eine Zweiphasenströmung vorgesehen werden, bei der sowohl eine Strömung der Flüssigkeit, als auch des zusätzlich gasförmig vorliegenden Oxidationsmittel erfolgt .On the other hand, a two-phase flow can be provided, in which both the liquid and the additional gaseous oxidizing agent flow.
Dabei findet innerhalb der Kathode ein kontinuierlicher Stoffaustausch zwischen den Phasen statt. Dies ist insbesondere dort vorteilhaft, wo unterschiedliche Berei- ehe in der Kathode vorliegen, von denen einige besser durch die Flüssigkeit und andere besser über die Gasphase versorgt werden können. Das in der Kathode entstehende Produktwasser wird aufgrund der Wasserunlös- lichkeit des Perfluordekalins als zusätzliche flüssige Phase aus der Brennstoffzelle ausgetragen.A continuous exchange of substances between the phases takes place within the cathode. This is particularly advantageous where different areas before they are in the cathode, some of which can be better supplied by the liquid and others better by the gas phase. The product water generated in the cathode is discharged from the fuel cell as an additional liquid phase due to the insolubility of perfluorodecalin.
Die Versorgung der Kathode kann in beiden Modi sowohl kontinuierlich, als auch diskontinuierlich erfolgen, das heißt, es kann vorteilhaft zwischen den aufgezeigten Zuführungsarten während des Betriebes gewechselt werden.In both modes, the cathode can be supplied both continuously and discontinuously, that is to say, it is advantageously possible to switch between the supply types shown during operation.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung mit einer Kreis- laufführung der Flüssigkeit und einer Anreicherungseinheit außerhalb der Brennstoffzelle können ebenfalls mehrere Varianten zum Einsatz kommen.In an embodiment of the invention with a circulation of the liquid and an enrichment unit outside the fuel cell, several variants can also be used.
Die Anreicherung kann beispielsweise außerhalb der Brennstoffzelle in einer Blasensäule erfolgen, in der ein Luft- bzw. Oxidationsmittelstrom durch die Flüssigkeit geleitet wird.The enrichment can take place, for example, outside the fuel cell in a bubble column in which an air or oxidant stream is passed through the liquid.
Ergänzend dazu ist es denkbar, die Flüssigkeit im Kreislauf zu führen, und die Anreicherung mit Oxidationsmittel über eine Membran durchzuführen. Dieses ist in Kombination mit einem Wärmeaustauscher zu realisieren, bei dem die Trennmembranen gleichzeitig z. B. Sauerstoffdurchlässig ausgebildet sind. Dafür geeignete Membranen sind unter anderem Silikonmembranen. Bei dieser Bauweise wird die Wärme aus der Brennstoffzelle vorteilhaft über die kombinierte Wärmeaustauscher/ Anreicherungseinheit ohne weitere Kühlzellen ausgetragen.In addition to this, it is conceivable to circulate the liquid and to carry out the enrichment with oxidizing agent via a membrane. This can be implemented in combination with a heat exchanger, in which the separating membranes simultaneously B. are oxygen permeable. Suitable membranes include silicone membranes. With this design, the heat from the fuel cell is advantageously used via the combined heat exchanger / Enrichment unit carried out without additional cold rooms.
Nachfolgend wird eine Beispielrechnung für einen 50 W Brennstoffzellenstapel (stack) bei Einsatz von Perflu- ordekalin (PFD) als Sauerstofflieferant auf der Kathodenseite vorgestellt.An example calculation for a 50 W fuel cell stack when using perfluoro decaline (PFD) as an oxygen supplier on the cathode side is presented below.
Löslichkeit von 24,4 ml 02 pro 100 g PFD bei P = 1,0 barSolubility of 24.4 ml 0 2 per 100 g PFD at P = 1.0 bar
5,1 ml 02 pro 100 g PFD bei Po2 5.1 ml 0 2 per 100 g PFD at Po 2
= 0,21 bar= 0.21 bar
Stackdaten: Leistung: 50 WStack data: Power: 50 W.
Spannung : 0,5 VVoltage: 0.5 V.
Strom (Leistung/Spannung) : 100 ACurrent (power / voltage): 100 A.
Mengenstrom: n0z = I / 4F = 2,6*10"4 mol/s Volumenstrom: Vo2 = 6,2 mL/sVolume flow: n 0z = I / 4F = 2.6 * 10 "4 mol / s Volume flow: Vo 2 = 6.2 mL / s
• Es müssen ca. 127 g/s an PFD umgepumpt werden, um den benötigten Sauerstoff zu der Kathode zu transportieren. Das entspricht einem Massenstrom von ca. 0,122 kg PFD/s, sofern dies mit Luftsauerstoff vollständig gesättigt vorliegt. • Approx. 127 g / s of PFD have to be pumped in order to transport the required oxygen to the cathode. This corresponds to a mass flow of approx. 0.122 kg PFD / s, provided that this is completely saturated with atmospheric oxygen.
Bei einer Dichte des PFDs von 1,917 Kg/L ergibt sich damit ein Volumenstrom an PFD von ca. VPFD = 640 mL/s = 3,8 L/min. Bei einer vorsichtigen Kalkulation mit einem 1,5-fachen Überschuß ergäbe sich somit ein Volumenstrom von 5,7 L/min.With a density of the PFD of 1.917 Kg / L this results in a volume flow of PFD of approx. V PFD = 640 mL / s = 3.8 L / min. With a careful calculation with a 1.5-fold excess, this would result in a volume flow of 5.7 L / min.
Durch Erhöhung des Luftdruck bei der Anreicherung reduziert sich der Volumenstrom entsprechend. Trotz eines erhöhten Drucks für die Anreicherung ist die benötigte Kompresssorleistung für die Zuführung des Oxidations- mittels über eine Flüssigkeit deutlich geringer, als beim Stand der Technik, wo das Oxidationsmittel gasförmig zugeführt wird. Increasing the air pressure during enrichment reduces the volume flow accordingly. Despite an increased pressure for the enrichment, the compressor power required for supplying the oxidizing agent via a liquid is significantly lower than in the prior art, where the oxidizing agent is supplied in gaseous form.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betreiben einer Polymer-Elektrolyt - Membran (PEM) Brennstoffzelle, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Oxidationsmittel physikalisch gelöst in einer Flüssigkeit der Kathode zugeführt wird.1. Method for operating a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell, so that the oxidizing agent is supplied to the cathode in a liquid solution in a physically dissolved manner.
2. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch 1, bei dem die Flüssigkeit im Kreislauf geführt wird.2. The method according to the preceding claim 1, wherein the liquid is circulated.
3. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch 1 bis 2, bei dem das Oxidationsmittel außerhalb der Brennstoffzelle in der Flüssigkeit physikalisch gelöst wird.3. The method according to the preceding claims 1 to 2, wherein the oxidizing agent is physically dissolved in the liquid outside the fuel cell.
4. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch 3, bei dem das Oxidationsmittel durch eine die Flüssigkeit enthaltene Blasensäule geleitet wird.4. The method according to the preceding claim 3, wherein the oxidizing agent is passed through a bubble column containing the liquid.
5. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch 3, bei dem das Oxidationsmittel über eine Sauerstoffdurchläs- sige Membran in die Flüssigkeit diffundiert.5. The method according to the preceding claim 3, wherein the oxidizing agent diffuses into the liquid via an oxygen-permeable membrane.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, bei dem als Flüssigkeit ein Perfluorkarbon eingesetzt wird.6. The method according to any one of the preceding claims 1 to 5, in which a perfluorocarbon is used as the liquid.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 6, bei dem als Flüssigkeit Perfluordekalin eingesetzt wird. Method according to one of the preceding claims 1 to 6, in which perfluorodecalin is used as the liquid.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, bei dem 02 als Oxidationsmittel eingesetzt wird.8. The method according to any one of the preceding claims 1 to 7, in which 0 2 is used as an oxidizing agent.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, bei dem das aus dem Kathodenraum abgeführte Wasser außerhalb der Brennstoffzelle von der Flüssigkeit abgetrennt wird.9. The method according to any one of the preceding claims 1 to 8, in which the water discharged from the cathode space is separated from the liquid outside the fuel cell.
10. Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) Brennstoffzelle gekennzeichnet ,10. polymer electrolyte membrane (PEM) labeled fuel cell,
- durch eine kathodenseitige Kreislaufführung für eine Flüssigkeit und- by a cathode-side circuit for a liquid and
- eine Anreicherungseinheit zur Anreicherung der Flüssigkeit mit einem Oxidationsmittel.- An enrichment unit for enriching the liquid with an oxidizing agent.
11. PEM-Brennstoffzelle nach vorhergehendem Anspruch11. PEM fuel cell according to the preceding claim
10, mit einem Perfluorkarbon als Flüssigkeit in der Kreislaufführung .10, with a perfluorocarbon as a liquid in the circuit.
12. PEM-Brennstoffzelle nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Anreicherungseinheit eine sauerstoffdurchlässige Membran aufweist 12. PEM fuel cell according to the preceding claim, characterized in that the enrichment unit has an oxygen-permeable membrane
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