[go: up one dir, main page]

WO2000063990A2 - Vorrichtung und verfahren zur befeuchtung einer brennstoffzellenmembran, sowie brennstoffzelle - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur befeuchtung einer brennstoffzellenmembran, sowie brennstoffzelle Download PDF

Info

Publication number
WO2000063990A2
WO2000063990A2 PCT/DE2000/001299 DE0001299W WO0063990A2 WO 2000063990 A2 WO2000063990 A2 WO 2000063990A2 DE 0001299 W DE0001299 W DE 0001299W WO 0063990 A2 WO0063990 A2 WO 0063990A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
sorption
cathode
moisture
accumulator material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2000/001299
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2000063990A3 (de
Inventor
Wolfgang Herdeg
Holger Klos
Martin Sattler
Sabine Hess
Hans-Dieter Wilhelm
Jürgen HABRICH
Karl Eck
Markus Keutz
Thomas Zapp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vodafone GmbH
Original Assignee
Mannesmann AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mannesmann AG filed Critical Mannesmann AG
Publication of WO2000063990A2 publication Critical patent/WO2000063990A2/de
Publication of WO2000063990A3 publication Critical patent/WO2000063990A3/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0082—Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for moistening a fuel cell membrane, and a fuel cell.
  • a chemical reaction generates electricity in a fuel cell. Fuel and oxygen are converted into electrical energy and water as a reaction product.
  • a fuel cell or PEM fuel cell essentially consists of an anode, a membrane and a cathode, which together form membrane
  • Electrode unit or MEA can be called.
  • the membrane consists of porous, electrically conductive material and is arranged between the anode and cathode in order to exchange ions.
  • a fuel such as Hydrogen or methanol is supplied, while oxygen or air is supplied on the side of the cathode.
  • oxygen or air is supplied on the side of the cathode.
  • Protons or hydrogen ions are generated that move through the membrane to the cathode.
  • the hydrogen ions react with the oxygen and water is formed.
  • the reaction at the electrodes is as follows:
  • Membrane of a fuel cell is effectively protected from drying out without having to carry an additional water tank. Furthermore, a fuel cell is to be created, the membrane of which is kept moist in an inexpensive and reliable manner
  • the inventive device for moistening a fuel cell membrane comprises a sorption device with a Akkumulatorenmate ⁇ al for absorbing and releasing heat and moisture by means of sorption, which in this way to the
  • Cathode exhaust gas flow and to the gas supply, in particular cathode gas supply, of a fuel cell can be coupled or coupled, that the accumulator material comes into contact with the cathode exhaust gas flow and with the gas supply alternately at times. This makes it possible to take the required moisture from the cathode exhaust gas flow or exhaust air flow and onto it Fuel cell supplied gas stream after
  • the sorption device is advantageously rotatably mounted, for example in order to transfer the moisture by means of a rotational movement. This can be done alternately Moisture absorbing and releasing accumulator material come into contact cyclically with the respective gas streams.
  • the device can have a plurality of flow areas separated from one another, which are preferably arranged in segments. This can do that
  • Accumulator material is loaded and unloaded evenly and particularly effectively with the moisture.
  • the sorption device is advantageously designed in a wheel-shaped or cylindrical manner, for example as a sorption wheel, in which the accumulator material is located. This allows particularly effective and effective moisture transfer to be carried out with little design effort.
  • the sorption device can, for example, also be designed in the form of a wire barrel, which preferably contains a fabric, in particular a textile fabric, as the accumulator material. This solution is particularly inexpensive and less prone to failure.
  • the accumulator material advantageously comprises a moisture-absorbing granulate such as, for example, silica gel, which results in a particularly high storage capacity for the moisture and thus a particularly high effectiveness in moisture transmission.
  • a moisture-absorbing granulate such as, for example, silica gel
  • moisture is absorbed from the cathode exhaust gas of a fuel cell by means of sorption from an accumulator material, and the accumulator material is subsequently fed to the cathode or
  • cathode exhaust air and cathode supply air are alternately conveyed by a sorptive device or individual areas thereof.
  • the sorption device advantageously rotates, as a result of which the moisture can be transferred effectively and in a space-saving manner.
  • the sorption device is preferably simultaneously flowed through in different areas in each case by the cathode exhaust gas stream and by the gas which is fed to the cathode or anode, for example in the opposite direction. As a result, moisture transfer can take place continuously without a large amount
  • a fuel cell is created which has a device according to the invention for moistening the fuel cell membrane.
  • the device according to the invention is in particular a moisture exchanger through which the cathode exhaust air flow is dehumidified and the supply air flow is humidified.
  • Fig. 2 shows schematically the side view of a sorption wheel
  • Fig. 3 shows a fuel cell with a moisture exchanger according to the invention.
  • Fig. 4 shows a modified version of the sorption unit.
  • the moisture exchanger 1 shown in FIG. 1 consists of a sorption unit, which is designed here as a sorption wheel 10, which contains an accumulator material 21 in the form of a granulate.
  • the accumulator material 21 is silica gel, which is particularly suitable for absorbing moisture.
  • the sorption wheel 10 is coupled to the cathode exhaust air stream or cathode exhaust gas stream 20 of a fuel cell, which is not shown, via first connecting pieces 2a, 2b.
  • the moisture exchanger 1 or the sorption wheel 10 is coupled to a gas feed stream 30, which leads to the fuel cell, via second connecting pieces 3a, 3b.
  • the gas supply stream 30 is the outside air which is supplied as cathode supply air on the cathode side of the fuel cell.
  • the sorption wheel 10 is rotatably supported about its axis A, the axis of rotation A and the directions of the cathode exhaust gas stream 20 and the gas feed stream 30 run parallel to each other.
  • the direction of rotation of the sorption wheel is indicated by arrow B.
  • the sorption wheel 10 has a first end face 11 and a second end face 12 which are provided with openings around the cathode exhaust gas or the cathode exhaust air and
  • the openings on the two end faces 11, 12 of the moisture exchanger 1 are each arranged opposite one another, a plurality of openings forming a circle on each side of the sorption wheel 10.
  • the radius of the circle or the distance of the openings from the axis of rotation A is chosen so that when the sorption wheel 10 rotates, the openings come to coincide with the respectively opposite first and second connecting pieces 2a, 2b, 3a, 3b.
  • the connecting pieces 2a, 2b, 3a, 3b do not necessarily have to be part of the moisture exchanger 1, but can also be a cathode exhaust line or a
  • the accumulator material 21 offers as large a surface as possible in order to be in contact with the cathode exhaust air flow or with the cathode supply air flow or generally with the gas flow to the cathode. In the present case, this is brought about by the design of the accumulator material 21 as fine-grained granules, which the respective gas stream permeates during operation.
  • the interior of the first area 1 a is penetrated by the warm and moist cathode exhaust air from the fuel cell.
  • the moist cathode exhaust air is conveyed through the first region 1 a of the moisture exchanger 1
  • the accumulator mass or the accumulator material 21 which is located in the first region 1 a of the moisture exchanger, absorbs heat and moisture from the air flow by sorption.
  • the moist air or moisture is bound or stored by accumulator material 21 in the first area 1 a. Due to the rotating movement of the moisture exchanger 1 in the direction of arrow B, the first region 1 a, which has taken up the warm air and the moisture, is conveyed to the gas supply stream 30 or to the cathode supply air. During the rotation of the moisture exchanger 1, further areas of its interior come into contact with the moist and warm cathode exhaust air and also absorb moisture and heat.
  • the cathode air on the side located downstream of the moisture exchanger 1 is therefore relatively dry and cold in comparison to the cathode air before the moisture exchanger 1 flows through it.
  • first area 1 a of the moisture exchanger 1 absorbs heat and moisture
  • second area 1 b between the second connection pieces 3a, 3b of the gas supply to the fuel cell.
  • This area 1 b previously absorbed heat and moisture from the cathode exhaust air and is now flowed through by the cathode supply air.
  • the cathode inlet is e.g. Outside air, which is relatively dry and cold compared to the cathode air.
  • the cathode supply air is heated by contact with the battery mass or the battery material 21 and absorbs the moisture stored in the battery material 21.
  • the gas leading to the fuel cell is therefore moist and warm after flowing through the second region 1 b of the moisture exchanger 1. This moisture is then fed to the membrane or the MEA of the fuel cell.
  • moisture exchanger 1 is divided into segments which are arranged in a star shape around the axis of rotation A.
  • Connectors 3a, 3b which are arranged on the end faces 11, 12 of the moisture exchanger 1, are adapted to the shape of the respective individual segments. This results in a particularly uniform flow through the different areas of the moisture exchanger 1.
  • the moisture exchanger 1 according to the invention connected in the cathode exhaust air flow and in the cathode supply air flow can be implemented very inexpensively and is therefore particularly suitable for series production.
  • the MEA is effectively protected from drying out
  • Figure 2 shows schematically a side view of the sorption wheel 10, as shown in Figure 1
  • the connecting pieces 2a, 2b, 3a, 3b are connected to a housing that completely encloses the sorption wheel 10. This is shown partially broken away in FIG. 2. From this way, one can see directly onto the accumulator material 21 of the sorption wheel 10.
  • the connecting pieces 2a, 2b, 3a , 3b are arranged in a fixed position, while the sorption wheel 10 rotates about an axis in the housing, as indicated by the arrow
  • the cathode part 24 of the fuel cell 22 is connected to the cathode gas supply line 27, which in turn is connected to the connector 3a.
  • the cathode gas line 28 connects the cathode part 24 to the connector 2a.
  • the anode gas is supplied to the anode part 23 by the anode gas line 25
  • the sorption wheel 10 is preferably divided into eight segments by a plurality of inner walls - as can be seen in FIG. 2 - if the sorption wheel rotates, each segment comes into flow contact with the connecting pieces 2a, 2b, 3a, 3b one after the other
  • the line 25 can also be connected to the connector 3a in order to humidify the anode gas (gaseous fuel such as hydrogen) and not the cathode gas
  • the sorption wheel 10 can be equipped with a number of short tubes filled with accumulator material instead of with inner segments, which are then arranged parallel to one another (and parallel to the axis of rotation) around the inner surface of the cylindrical wheel.
  • the use of inner walls or pipes is advantageous because the mixture of water-containing exhaust gas with fresh cathode or anode gas is kept to a minimum. On the other hand, it is not always necessary to carry out this strict separation of the two different gas flows from one another. In the case of humidification of cathode gas, a mixture is tolerable to a certain degree.
  • the body of the sorption wheel can be designed like a wire barrel without inner walls or tubes, as shown in FIG. 4.
  • Such a bin is filled with accumulator material selected from any water absorbent fabric.
  • the material can be a flat material such as cardboard or corrugated cardboard. It may be rolled up spirally so as to obtain preferable flow channels for the gas flow between adjacent layers of the spirally rolled material. In this way the mixing is limited.

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Ein Feuchtetauscher (1) für eine Brennstoffzelle ist an den Kathodenabgasstrom und an den Gaszufuhrstrom einer Brennstoffzelle gekoppelt. Durch Sorption wird in einem Akkumulatorenmaterial (21) Wärme und Feuchtigkeit vom Kathodenabgasstrom (20) aufgenommen und an den Gaszufuhrstrom (30) zur Brennstoffzelle abgegeben, wobei das Akkumulatorenmaterial (21) wechselweise mit dem Kathodenabgasstrom (20) und mit dem Gas- bzw. Außenluftzufuhrstrom (30) in Kontakt gerät. Der Feuchtetauscher ist als Sorptionsrad (10) ausgestaltet, wobei durch Rotation des Sorptionsrads (10) die Feuchtigkeit übertragen wird. Das Akkumulatorenmaterial (21) ist ein feuchtigkeitsaufnehmendes Granulat. Durch die Entnahme der Feuchtigkeit aus der Kathodenabluft (20) und Befeuchtung der Zuluft (30) wird die Membran-Elektroden-Einheit der Brennstoffzelle vor Austrocknung geschützt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Befeuchtung einer Brennstoffzellenmembran, sowie Brennstoffzelle
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Befeuchtung einer Brennstoffzellenmembran, sowie eine Brennstoffzelle.
In einer Brennstoffzelle wird durch eine chemische Reaktion Strom erzeugt. Dabei wird Brennstoff und Sauerstoff in elektrische Energie und Wasser als Reaktionsprodukt umgewandelt. Eine Brennstoffzelle bzw. PEM-Brennstoffzelle besteht im wesentlichen aus einer Anode, einer Membran und einer Kathode, die zusammen Membran-
Elektroden-Einheit bzw. MEA genannt werden. Die Membran besteht aus porösem, elektrisch leitfähigem Material und ist zwischen der Anode und Kathode angeordnet um Ionen auszutauschen. Auf der Seite der Anode wird ein Brennstoff wie z.B. Wasserstoff oder Methanol zugeführt, während auf der Seite der Kathode Sauerstoff oder Luft zugeführt wird. An der Anode werden durch katalytische Reaktionen
Protonen bzw. Wasserstoffionen erzeugt, die sich durch die Membran zur Kathode bewegen. An der Kathode reagieren die Wasserstoffionen mit dem Sauerstoff, und es bildet sich Wasser.
Die Reaktion an den Elektroden ist wie folgt:
Anode: H2 → 2H+ + 2e"
Kathode: V_,O2 + 2H+ + 2e" → H2O
Somit wird an den Elektroden Strom erzeugt, der einem Verbraucher zugeführt wird.
Derartige Brennstoffzellen sind aus vielfältigen Veröffentlichungen bekannt. Es besteht jedoch das Problem, daß die Membran bzw. die MEA feucht gehalten werden muß. Beim Austrocknen der Membran würde diese ihre lonenleitfähigkeit verlieren, und die Brennstoffzelle wäre nicht mehr funktionsfähig. In der US 5,432,020 wird daher vorgeschlagen, fein zerstäubtes Wasser mittels einer Einspritzdüse dem Gasstrom zur Brennstoffzelle hinzuzufügen Dadurch wird die Membran gekühlt und feuchtgehalten Ein Nachteil ist jedoch, daß ein zusätzlicher Wassertank notwendig ist und das Wasser z B durch eine Pumpe gefordert werden muß Darüber hinaus muß das Wasser vor Einfrieren geschützt werden, was weitere Maßnahmen erforderlich macht
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Befeuchtung einer Brennstoffzellenmembran bereitzustellen, womit die
Membran einer Brennstoffzelle wirksam vor Austrocknen geschützt wird, ohne daß ein zusätzlicher Wassertank mitgefuhrt werden muß Weiterhin soll eine Brennstoffzelle geschaffen werden, deren Membran auf kostengünstige und zuverlässige Weise feuchtgehalten wird
Diese Aufgabe wird gelost durch die Vorrichtung zur Befeuchtung einer Brennstoffzellenmembran gemäß Patentanspruch 1 , das Verfahren zur Befeuchtung einer Brennstoffzellenmembran gemäß Patentanspruch 7 und durch die Brennstoffzelle gemäß Patentanspruch 1 1 Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhangigen Ansprüchen, der
Beschreibung und der Zeichnung
Die erfindungsgemaße Vorrichtung zur Befeuchtung einer Brennstoffzellenmembran umfaßt eine Sorptionseinrichtung mit einem Akkumulatorenmateπal zur Aufnahme und Abgabe von Warme und Feuchtigkeit mittels Sorption, die derart an den
Kathodenabgasstrom und an die Gaszufuhr, insbesondere Kathodengaszufuhr, einer Brennstoffzelle koppelbar oder gekoppelt ist, daß das Akkumulatorenmatenal zeitlich wechselweise mit dem Kathodenabgasstrom und mit der Gaszufuhr in Kontakt gerat Dadurch wird es möglich, die benotigte Feuchtigkeit dem Kathodenabgasstrom bzw - abluftstrom zu entnehmen und auf den der Brennstoffzelle zugefuhrten Gasstrom nach
Desorption zu übertragen, um damit die Membran-Elektroden-Einheit bzw MEA zu befeuchten
Vorteilhafterweise ist die Sorptionseinrichtung drehbar gelagert, um z B durch eine Rotationsbewegung die Feuchtigkeit zu übertragen Dadurch kann das wechselweise Feuchtigkeit aufnehmende und abgebende Akkumulatorenmaterial zyklisch mit den jeweiligen Gasströmen in Kontakt geraten.
Die Vorrichtung kann mehrere voneinander getrennte Durchströmumgsbereiche aufweisen, die bevorzugt segmentweise angeordnet sind. Dadurch kann das
Akkumuiatorenmaterial gleichmäßig und besonders wirksam mit der Feuchtigkeit beladen bzw. entladen werden.
Vorteilhafterweise ist die Sorptionseinrichtung radförmig oder zylindrisch, beispielsweise als Sorptionsrad ausgestaltet, in dem sich das Akkumulatorenmaterial befindet. Dadurch kann bei geringem konstruktiven Aufwand eine besonders wirksame und effektive Feuchtigkeitsübertragung erfolgen. Die Sorptionseinrichtung kann beispielsweise auch in Form einer Drahttonne gestaltet sein, die bevorzugt ein Gewebe, insbesondere ein Textilgewebe, als Akkumulatorenmaterial enthält. Diese Lösung ist besonders kostengünstig und wenig störanfällig.
Das Akkumulatorenmaterial umfaßt vorteilhafterweise ein feuchteabsorbierendes Granulat wie beispielsweise Silikagel, wodurch sich eine besonders hohe Speicherkapazität für die Feuchtigkeit und damit eine besonders große Wirksamkeit bei der Feuchteübertragung ergibt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Befeuchtung einer Brennstoffzellenmembran wird Feuchtigkeit aus dem Kathodenabgas einer Brennstoffzelle mittels Sorption von einem Akkumulatorenmaterial aufgenommen, und das Akkumulatorenmaterial wird anschließend mit der Gaszufuhr zur Kathode oder
Anode in Kontakt gebracht, um die Feuchtigkeit durch Desorption an das zugeführte Gas abzugeben. Hierdurch wird das an der Kathode entstehende Wasser zur Befeuchtung der Membran eingesetzt, wodurch aufwendige konstruktive Maßnahmen, wie z.B. ein Wassertank und eine Wasserpumpe überflüssig werden und eine Kosteneinsparung erfolgen kann.
Bevorzugt wird abwechselnd Kathodenabluft und Kathodenzuluft (z.B. Sauerstoff) durch eine Sorptioπseinrichtung bzw. einzelne Bereiche davon gefördert. Vorteilhafterweise rotiert die Sorptionseinrichtung, wodurch die Übertragung der Feuchtigkeit effektiv und platzsparend erfolgen kann. Die Sorptionseinrichtung wird bevorzugt gleichzeitig in jeweils unterschiedlichen Bereichen vom Kathodenabgasstrom und vom Gas, das der Kathode oder Anode zugeführt wird, z.B. in entgegengesetzter Richtung durchströmt. Dadurch kann kontinuierlich eine Feuchtigkeitsübertragung stattfinden, ohne daß ein großer
Platzbedarf besteht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Brennstoffzelle geschaffen, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran aufweist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere ein Feuchtetauscher, durch den der Kathodenabluftstrom entfeuchtet wird und der Zuluftstrom befeuchtet wird.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft beschrieben.
Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Feuchtetauscher,
Fig. 2 schematisch die Seitenansicht eines Sorptionsrades und
Fig. 3 eine Brennstoffzelle mit einem erfindungsgemäßen Feuchtetauscher. Fig. 4 eine abgewandelte Ausführung der Sorptionseinheit.
Der in der Figur 1 gezeigte Feuchtetauscher 1 besteht aus einer Sorptionseinheit, die hier als Sorptionsrad 10 ausgebildet ist, das ein Akkumulatorenmaterial 21 in Form eines Granulats enthält. In der hier dargestellten Ausführungsform ist das Akkumulatorenmaterial 21 Silikagel, das zur Aufnahme von Feuchtigkeit besonders geeignet ist. Über erste Anschlußstücke 2a, 2b ist das Sorptionsrad 10 an den Kathodenabluftstrom bzw. Kathodenabgasstrom 20 einer Brennstoffzelle, die nicht dargestellt ist, gekoppelt. Weiterhin ist der Feuchtetauscher 1 bzw. das Sorptionsrad 10 über zweite Anschlußstücke 3a, 3b an einen Gaszufuhrstrom 30, der zur Brennstoffzelle führt, gekoppelt. In der hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist der Gaszufuhrstrom 30 die Außenluft, die auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle als Kathodenzuluft zugeführt wird.
Das Sorptionsrad 10 ist drehbar um seine Achse A gelagert, wobei die Drehachse A und die Richtungen des Kathodenabgasstroms 20 und des Gaszufuhrstroms 30 parallel zueinander verlaufen. Die Drehrichtung des Sorptionsrads ist durch den Pfeil B gekennzeichnet.
Das Sorptionsrad 10 hat eine erste Stirnseite 1 1 und eine zweite Stirnseite 12, die mit Öffnungen versehen sind um das Kathodenabgas bzw. die Kathodenabluft und die
Gaszufuhr zur Kathode hindurchzuführen. Die Öffnungen auf den beiden Stirnseiten 1 1 , 12 des Feuchtetauschers 1 sind dabei jeweils gegenüberliegend angeordnet, wobei auf jeder Seite des Sorptionsrads 10 eine Vielzahl von Öffnungen einen Kreis bilden. Der Radius des Kreises bzw. der Abstand der Öffnungen von der Drehachse A ist dabei so gewählt, daß bei einer Drehung des Sorptionsrads 10 die Öffnungen mit den sich jeweils gegenüberliegenden ersten und zweiten Anschlußstücken 2a, 2b, 3a, 3b zur Deckung kommen.
Die Anschlußstücke 2a, 2b, 3a, 3b müssen nicht notwendigerweise Teil des Feuchtetauschers 1 sein, sondern können auch eine Kathodenabluftleitung bzw. eine
Gaszuleitung zur Kathode sein, die jeweils an beiden Seiten 1 1 , 12 des Sorptionsrads 10 bzw. Feuchtetauschers 1 direkt anschließen.
Im Innenraum des Sorptionsrads 10 befindet sich eine Vielzahl von Kanälen, durch die im Betrieb die jeweiligen Gasströme geführt werden. Der Innenraum ist dabei so gestaltet, daß das Akkumulatorenmaterial 21 eine möglichst große Oberfläche bietet, um mit dem Kathodenabluftstrom bzw. mit dem Kathodenzuluftstrom oder allgemein mit dem Gasstrom zur Kathode in Kontakt zu stehen. Dies wird im vorliegenden Fall durch die Ausgestaltung des Akkumulatorenmaterials 21 als feinkörniges Granulat bewirkt, das im Betrieb vom jeweiligen Gasstrom durchsetzt wird.
Beim Betrieb des Sorptionsrads 10 wird ein erster Bereich 1 a in seinem Innenraum von der warmen und feuchten Kathodenabluft der Brennstoffzelle durchsetzt. Während die feuchte Kathodenabluft durch den ersten Bereich 1 a des Feuchtetauschers 1 gefördert wird nimmt die Akkumulatorenmasse bzw. das Akkumulatorenmaterial 21 , das sich im ersten Bereich 1 a des Feuchtetauschers befindet, durch Sorption Wärme und Feuchtigkeit aus dem Luftstrom auf. Dabei wird die feuchte Luft bzw. die Feuchtigkeit durch Akkumulatorenmaterial 21 im ersten Bereich 1 a gebunden bzw. gespeichert. Durch die rotierende Bewegung des Feuchtetauschers 1 in Pfeilrichtung B wird der erste Bereich 1 a, der die warme Luft und die Feuchtigkeit aufgenommen hat, zum Gaszufuhrstrom 30 bzw. zur Kathodenzuluft hin befördert. Während der Drehung des Feuchtetauschers 1 geraten weitere Bereiche seines Innenraums mit der feuchten und warmen Kathodenabluft in Kontakt und nehmen ebenfalls Feuchtigkeit und Wärme auf.
Die Kathodenabiuft auf der stromabwärts des Feuchtetauschers 1 gelegenen Seite ist daher relativ trocken und kalt im Vergleich zur Kathodenabiuft vor Durchströmung des Feuchtetauschers 1.
Während der erste Bereich 1 a des Feuchtetauschers 1 Wärme und Feuchtigkeit aufnimmt befindet sich ein zweiter Bereich 1 b zwischen den zweiten Anschlußstücken 3a, 3b der Gaszufuhr zur Brennstoffzelle. Dieser Bereich 1 b hat zuvor Wärme und Feuchtigkeit von der Kahodenabluft aufgenommen und wird nun von der Kathodenzuluft durchströmt. Die Kathodenzuluft ist z.B. Außenluft, die im Vergleich zur Kathodenabiuft relativ trocken und kalt ist. Bei der Durchströmung des zweiten
Bereichs 1 b des Feuchtetauschers 1 wird die Kathodenzuluft durch den Kontakt mit der Akkumulatorenmasse bzw. dem Akkumulatorenmaterial 21 erwärmt und nimmt die im Akkumulatorenmaterial 21 gespeicherte Feuchtigkeit auf. Das zur Brennstoffzelle hingeführte Gas ist daher nach Durchströmen des zweiten Bereichs 1 b des Feuchtetauschers 1 feucht und warm. Diese Feuchtigkeit wird nun der Membran bzw. der MEA der Brennstoffzelle zugeführt.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Feuchtetauscher 1 in Segmente unterteilt ist, die sternförmig um die Drehachse A angeordnet sind. Die Öffnungen der ersten Anschlußstücke 2a, 2b und der zweiten
Anschlußstücke 3a, 3b, die an den Stirnseiten 1 1 , 12 des Feuchtetauschers 1 angeordnet sind, sind dabei an die Form der jeweiligen einzelnen Segmente angepaßt. Dadurch ergibt sich eine besonders gleichmäßige Strömung durch die verschiedenen Bereiche des Feuchtetauschers 1.
Durch Kopplung des Feuchtetauschers 1 an den Kathodenabluftstrom und an den Kathodenzuluftstrom der Brennstoffzelle 1 und durch das Prinzip der Feuchteübertragung mittels Sorption und Desorption kann auf aufwendige konstruktive Maßnahmen verzichtet werden. Allgemein beinhaltet Sorption die Aufnahme und Bindung von Gasen und Flüssigkeiten durch Feststoffe, wobei Energie gespeichert wird und bei Bedarf durch Desorption wieder freigesetzt werden kann Diese Effekte werden hier in der Brennstoffzellentechnik, insbesondere für Automobile, eingesetzt
Der in den Kathodenabluftstrom und in den Kathodenzuluftstrom geschaltete erfindungsgemaße Feuchtetauscher 1 laßt sich sehr kostengünstig realisieren und ist daher für die Serienfertigung besonders geeignet Die MEA wird wirksam vor dem Austrocknen geschützt
Figur 2 zeigt schematisch eine Seitenansicht des Sorptionsrades 10, wie es in Figur 1 dargestellt ist
Die Anschlußstucke 2a, 2b, 3a, 3b sind an ein Gehäuse angeschlossen, dass das Sorptionsrad 10 vollständig umschließt In der Figur 2 ist dies teilweise weggebrochen dargestellt Man sieht aus diese Weise direkt auf das Akkumulatorenmateπal 21 des Sorptionsrades 10 Die Anschlußstucke 2a, 2b, 3a, 3b sind ortsfest angeordnet, wahrend das Sorptionsrad 10 sich im Gehauese - wie mit dem Pfeil angedeutet - um eine Achse dreht
Der Kathodenteil 24 der Brennstoffzelle 22 ist mit der Kathodengaszuleitung 27 verbunden, die ihrerseits an den das Anschlußstuck 3a angeschlossen ist Die Kathodengasableitung 28 verbindet den Kathodenteil 24 mit dem Anschlußstuck 2a Das Anodengas wird durch die Anodengaszuleitung 25 dem Anodenteil 23 der
Brennstoffzelle 22 zugeführt und verlaßt es durch die Anodengasableitung 26
Das Sorptionsrad 10 ist vorzugsweise durch mehrere Innenwan e in acht Segmente - wie aus der Figur 2 ersichtlich - unterteilt Dreht sich das Sorptionsrad, so kommt jedes Segment nacheinander in Durchflußkontakt mit den Anschlußstucken 2a, 2b, 3a, 3b
Nachdem die Feuchtigkeit aus dem Kathodenabgas durch Absorbtion des Wasserdampfes wahrend des Kontaktes mit den Anschlußstucken 2a, 2b zurückgewonnen wurde, dreht sich das entsprechende Segment und kommt in Kontakt mit den Anschlußstucken 3a, 3b, um den Kathodengasstrom durch das Anschlußstuck 3b zu befeuchten Dabei wird das absorbierte Wasser desorbiert
Es ist klar, dass selbstverständlich anstatt der Leitung 27 auch die Leitung 25 mit dem Anschlußstuck 3a verbunden sein kann, um das Anodengas zu befeuchten ( gasformiger Brennstoff wie Wasserstoff) und nicht das Kathodengas Es ist auch möglich, dass das Sorptionsrad 10 anstatt mit Innensegmenten mit einer Anzahl kurzer Rohre, die mit Akkumulatorenmaterial gefüllt sind, auszustattet ist, wobei diese dann parallel zueinander ( und parallel zur Rotationsachse) um die innere Oberfläche des zylindrischen Rades angeordnet sind.
Die Verwendung von Innenwänden oder Rohren ist vorteilhaft, weil die Mischung von Wasser enthaltendem Abgas mit frischen Kathoden- oder Anodengas auf ein Minimum begrenzt wird. Andererseits ist es nicht in jedem Fall notwendig diese strikte Trennung der beiden unterschiedlichen Gasströme voneinander vorzunehmen. Im Fall der Befeuchtung von Kathodengas ist eine Mischung bis zu einem gewissen Grad tolerierbar. So kann der Körper des Sorptionsrades wie eine Drahttonne ohne Innenwände oder Rohre ausgebildet sein, wie dies die Figur 4 zeigt. Eine derartige Tonne ist mit Akkummulatorenmaterial gefüllt, und zwar ausgewählt aus irgendwelchen Wasser absorbierenden Textilgeweben. Das Material kann ein flaches Material wie Karton oder gewellter Karton sein. Es kann spiralförmig aufgerollt sein, um so vorzuziehende Durchflußkanäle für den Gasstrom zwischen benachbarten Lagen des spiralförmig aufgerollten Materials zu erhalten Auf diese Weise wird die Vermischung begrenzt.

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Befeuchtung einer Brennstoffzellenmembran, gekennzeichnet durch eine Sorptionseinrichtung (10) mit einem Akkumulatorenmaterial (21) zur Aufnahme und Abgabe von Feuchtigkeit mittels Sorption bzw. Desorption, wobei die Sorptionseinrichtung (10) derart an den Kathodenabgasstrom (20) und an die Gaszufuhr (30) einer Brennstoffzelle koppelbar oder gekoppelt ist, daß das Akkumulatorenmaterial (21 ) zeitlich wechselweise mit dem
Kathodenabgasstrom (20) und mit der Gaszufuhr (30) in Kontakt gerät.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Sorptionseinrichtung (10) drehbar gelagert ist, um die Feuchtigkeit durch eine Rotationsbewegung zu übertragen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sorptionseinrichtung (10) mehrere voneinander getrennte
Durchströmungsbereiche (1 a, 1 b) aufweist, die bevorzugt segmentartig angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sorptionseinrichtung (10) ein Sorptionsrad ist, in dem sich das Akkumulatorenmaterial (21 ) befindet.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sorptionseinrichtung (10) in Form einer Drahttonne gestaltet ist, die ein Gewebe, insbesondere ein Textilgewebe, als Akkumulatorenmaterial (21 ) enthält.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Akkumulatorenmaterial (21) ein feuchteabsorbierendes Granulat, insbesondere ein Silikagel, umfaßt.
7. Verfahren zur Befeuchtung einer Brennstoffzellenmembran, dadurch gekennzeichnet, daß Feuchtigkeit aus dem Kathodenabgasstrom (20) einer Brennstoffzelle mittels Sorption von einem Akkumulatorenmaterial (21) aufgenommen wird und das Akkumulatorenmaterial (21) anschließend mit Gas, das der Kathode oder
Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird, in Kontakt gebracht wird, um die Feuchtigkeit durch Desorption an das zugeführte Gas abzugeben.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd Kathodenabiuft (20) und Zuluft (30) durch eine Sorptionseinrichtung (10) oder einzelne Bereiche (1a, 1 b) davon gefördert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, , daß die Feuchtigkeit durch eine Rotationsbewegung der Sorptionseinrichtung (10) übertragen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Bereich (1a, 1 b) der Sorptionseinrichtung (10) gleichzeitig, insbesondere in entgegengesetzter Richtung, vom Kathodenabgasstrom (20) und von dem zur Brennstoffzelle hingeführten Gas durchströmt werden.
11. Brennstoffzelle, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 6.
PCT/DE2000/001299 1999-04-19 2000-04-19 Vorrichtung und verfahren zur befeuchtung einer brennstoffzellenmembran, sowie brennstoffzelle Ceased WO2000063990A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19918849.1 1999-04-19
DE19918849A DE19918849C2 (de) 1999-04-19 1999-04-19 Vorrichtung zur Befeuchtung einer Brennstoffzellenmembran, sowie deren Verwendung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2000063990A2 true WO2000063990A2 (de) 2000-10-26
WO2000063990A3 WO2000063990A3 (de) 2001-04-05

Family

ID=7905865

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2000/001299 Ceased WO2000063990A2 (de) 1999-04-19 2000-04-19 Vorrichtung und verfahren zur befeuchtung einer brennstoffzellenmembran, sowie brennstoffzelle

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE19918849C2 (de)
WO (1) WO2000063990A2 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002075907A3 (en) * 2001-03-21 2004-02-26 Nissan Motor Fuel cell system with humidifier
US7534510B2 (en) 2004-09-03 2009-05-19 The Gillette Company Fuel compositions

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004342372A (ja) 2003-05-13 2004-12-02 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及びこれを搭載した車両
DE10329201B4 (de) * 2003-06-28 2007-09-27 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem
DE102011077692A1 (de) * 2011-06-17 2012-12-20 Siemens Ag Elektrischer Energiespeicher
DE102011114721A1 (de) 2011-10-01 2013-04-04 Daimler Ag Brennstoffzellensystem
DE102017221896A1 (de) 2017-12-05 2019-06-06 Audi Ag Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Behandlung eines aus dem Brennstoffzellensystem austretenden Fluids

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5250368A (en) * 1992-11-19 1993-10-05 Ergenics, Inc. Extended cycle-life metal hydride battery for electric vehicles
DE19704888A1 (de) * 1997-02-10 1998-08-13 Bhf Verfahrenstechnik Gmbh Verfahren zum Betrieb eines Heizkessels mit Brennwertnutzung und Heizkessel zur Realisierung des Verfahrens
US6013385A (en) * 1997-07-25 2000-01-11 Emprise Corporation Fuel cell gas management system
US5935726A (en) * 1997-12-01 1999-08-10 Ballard Power Systems Inc. Method and apparatus for distributing water to an ion-exchange membrane in a fuel cell
BR9913672A (pt) * 1998-09-14 2001-10-09 Questair Technologies Inc Sistema de geração de corrente elétrica
DE19902219C1 (de) * 1999-01-21 2000-06-08 Daimler Chrysler Ag Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002075907A3 (en) * 2001-03-21 2004-02-26 Nissan Motor Fuel cell system with humidifier
US7033689B2 (en) 2001-03-21 2006-04-25 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system
US7534510B2 (en) 2004-09-03 2009-05-19 The Gillette Company Fuel compositions
US7989117B2 (en) 2004-09-03 2011-08-02 The Gillette Company Fuel compositions

Also Published As

Publication number Publication date
DE19918849C2 (de) 2003-04-30
DE19918849A1 (de) 2000-10-26
WO2000063990A3 (de) 2001-04-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10201302B4 (de) Brennstoffzellensystem und Befeuchtungsverfahren
DE19918850C2 (de) Befeuchtungsvorrichtung für Brennstoffzelle, Verfahren zur Befeuchtung einer Brennstoffzellenmembran und Verwendung der Befeuchtungsvorrichtung in einer Brennstoffzelle
DE69831615T2 (de) Brennstoffzelle und Separator
DE112005000365B4 (de) Elektrochemische Zelle mit einer Membranelektrodenanordnung
DE112005001084B4 (de) Gasseparator und Verfahren zu dessen Betrieb
DE69936421T2 (de) Separator für eine einheitszelle einer brennstoffzelle und diesen verwendende brennstoffzelle
DE4201632C2 (de) Verfahren und Anordnung zur Befeuchtung der einer Brennstoffzelle zuströmenden Reaktanten
DE7800463U1 (de) Vorrichtung zum entfeuchten von gas
WO2017037197A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum parallelen kondensieren und verdampfen für ein brennstoffzellensystem mit einer kondensations-/verdampfungs-vorrichtung sowie ein brennstoffzellensystem mit einer solchen kondensations-/verdampfungs-vorrichtung
DE19918849C2 (de) Vorrichtung zur Befeuchtung einer Brennstoffzellenmembran, sowie deren Verwendung
WO2021121464A1 (de) Feuchtetauscher, insbesondere befeuchter für eine brennstoffzelle, und brennstoffzellensystem
EP1527492A2 (de) Vorrichtung und verfahren zur befeuchtung eines gasstroms
DE10297258T5 (de) Funktionale Integration multipler Komponenten für eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage
WO2009095238A1 (de) Brennstoffzellensystem mit adsorptionswärmespeicher
EP1022796B1 (de) Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem
DE102004017281B4 (de) Brennstoffzellen-System und Verwendung eines Brennstoffzellen-Systems in einem Fahrzeug
DE102014221241A1 (de) Befeuchtungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem sowie Brennstoffzellensystem
DE102004022021A1 (de) Feuchtigkeitsaustauschmodul mit einem Bündel von für Feuchtigkeit durchlässigen Hohlfasermembranen
WO2003090301A2 (de) Elektrodenplatte mit befeuchtungsbereich
DE102014219164A1 (de) Brennstoffzellenstapel mit integriertem Befeuchter sowie Fahrzeug mit einem solchen
DE10325012A1 (de) Brennstoffzellensystem mit einem Fluorfilter
DE1571952A1 (de) Brennstoffzellen-Stuetzplattenaufbau
DE102019205810A1 (de) Befeuchter sowie Brennstoffzellenvorrichtung mit einem solchen
DE102019212086A1 (de) Brennstoffzellenvorrichtung
DE10243275A1 (de) Reformereinrichtung für ein Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff durch Reformieren eines Betriebsmediums

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
AK Designated states

Kind code of ref document: A3

Designated state(s): JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A3

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE

122 Ep: pct application non-entry in european phase
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP