DE69915632T2 - Brennstoffzellenanlage mit direktem masse- und wärmetransport - Google Patents

Brennstoffzellenanlage mit direktem masse- und wärmetransport Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen, welche bei ungefähr Umgebungsdruck arbeiten und zur Verwendung in Transportfahrzeugen als bewegliche Stromerzeugungsanlagen oder als nicht-bewegliche Stromerzeugungsanlagen, und die Erfindung bezieht sich besonders auf eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, welche Masse und Hitze, wie z. B. Wasserdampf, welcher die Anlage verlässt, zurück in die Anlage führt, um die Wasserbilanz und die Energieeffizienz der Anlage zu verbessern.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen sind bekannt und werden allgemein verwendet, um elektrische Energie aus reduzierenden und oxidierenden Fluiden zu erzeugen, um elektrische Einrichtungen, z. B. Einrichtungen an Bord von Raumfahrzeugen, zu betreiben. In derartigen Stromerzeugungsanlagen sind eine Mehrzahl von planaren Brennstoffzellen in einem Stapel angeordnet, der von einem elektrisch isolierenden Rahmen umgeben ist, welcher Verzweigungssysteme zum Leiten von reduzierenden, oxidierenden, kühlenden und als Produkt erzeugten Fluiden definiert. Jede einzelne Zelle weist im Allgemeinen eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode auf, welche durch einen Elektrolyten getrennt sind. Ein Reaktanten- oder reduzierendes Fluid, z. B. Wasserstoff, wird zur Anode geführt, und ein Oxidationsmittel, z. B. Sauerstoff oder Luft, wird zur Kathodenelektrode geführt. In einer Zelle, welche eine Protonenaustauschmembran als Elektrolyt verwendet, reagiert Wasserstoff elek trochemisch an der Oberfläche eines Anodenkatalysators, um Wasserstoffionen und Elektronen zu erzeugen. Die Elektronen werden zu einem externen Lastkreis geleitet und dann zur Kathodenelektrode zurückgeführt, während die Wasserstoffionen durch den Elektrolyten zur Kathodenelektrode gelangen, wo sie mit dem Oxidationsmittel und Elektronen reagieren, um Wasser zu erzeugen und thermische Energie freizusetzen.
  • Die Anoden- und Kathodenelektroden derartiger Brennstoffzellen sind durch verschiedene Arten von Elektrolyten getrennt, abhängig von den Betriebsanforderungen und Einschränkungen der Betriebsumgebung der Brennstoffzelle. Ein solcher Elektrolyt ist ein Protonenaustauschmembran-Elektrolyt ("PEM"), welcher aus einem im Stand der Technik bekannten festen Polymer besteht. Andere übliche in Brennstoffzellen verwendete Elektrolyten schließen Phosphorsäure oder Kaliumhydroxid, gehalten innerhalb einer porösen, nichtleitenden Matrix zwischen den Anoden- und Kathodenelektroden ein. Es wurde gefunden, dass PEM-Zellen wesentliche Vorteile gegenüber Zellen mit flüssigen sauren oder basischen Elektrolyten beim Erfüllen spezifischer Betriebsparameter haben, weil die Membran der PEM eine Barriere zwischen dem reduzierenden Fluid und dem Oxidationsmittel zur Verfügung stellt, welche gegenüber Druckunterschieden toleranter ist als ein flüssiger Elektrolyt, der durch Kapillarkräfte innerhalb einer porösen Matrix gehalten wird. Außerdem ist der PEM-Elektrolyt fixiert und kann nicht aus der Zelle aussickern, und die Membran hat eine relativ konstante Kapazität zur Wasserretention. Es ist jedoch bekannt, das PEM-Zellen beträchtliche Einschränkungen, insbesondere bezogen auf Wassertransport zu, durch und von der PEM und bezogen auf den gleichzeitigen Transport von gasförmigen reduzierenden und oxidierenden Fluiden zu und von den Elektroden benachbart zu den gegenüber liegenden Oberflächen der PEM haben. Der Stand der Technik enthält viele Bemühungen, die Auswirkung dieser Einschränkungen zu minimieren.
  • Im Betrieb einer Brennstoffzelle, welche eine PEM verwendet, ist die Membran mit Wasser gesättigt, und die Anodenelektrode benachbart zur Membran muss nass bleiben. Wenn an der Anodenelektrode erzeugte Wasserstoffionen durch den Elektrolyten gelangen, ziehen sie Wassermoleküle in Form von Hydroniu mionen mit sich von der Anode zur Kathode. Wasser gelangt auch von der Anode zur Kathode durch Osmose zurück. An der Kathode erzeugtes Produkt-Wasser wird durch Verdampfung oder Mitführen in die zirkulierende Gasströmung des Oxidationsmittels entfernt, oder durch Kapillarwirkung in und durch eine poröse Fluidtransportschicht benachbart zur Kathode. Poröse Wassertransportplatten führen flüssiges Wasser von einem Kühlmittelwasservorrat zur Anodenelektrode und entfernen Wasser von der Kathodenelektrode und führen es zum Kühlmittelwasservorrat zurück, und die Platten dienen dadurch auch dazu, Wärme von dem Elektrolyten und den Elektroden zu entfernen.
  • Beim Betrieb von PEM-Brennstoffzellen ist es entscheidend, dass eine geeignete Wasserbilanz (Wasserausgleich) zwischen der Rate, mit der Wasser an der Kathodenelektrode erzeugt wird und den Raten, mit welchen Wasser an der Kathode entfernt und mit welcher flüssiges Wasser zur Anodenelektrode geführt wird, aufrecht erhalten wird. Eine betriebsmäßige Leistungsgrenze der Brennstoffzelle wird durch die Fähigkeit der Zelle definiert, die Wasserbilanz aufrecht zu erhalten, während der von der Zelle in den externen Lastkreis gezogene elektrische Strom variiert, und während eine Betriebsumgebung der Zelle variiert. Wenn Wasser nicht ausreichend zur Anodenelektrode zurückgeführt wird, trocknen bei PEM-Brennstoffzellen benachbarte Bereiche des PEM-Elektrolyten aus und verringern so die Rate, mit welcher Wasserstoffionen durch die PEM gelangen können, und das führt auch zu Übertreten des reduzierenden Fluids, was zu örtlichem Überhitzen führt. Falls in ähnlicher Weise zu wenig Wasser von der Kathode entfernt wird, kann die Kathodenelektrode tatsächlich überschwemmt werden, was die Oxidationsmittelzuführung zur Kathode begrenzt und somit den Stromfluss verringert. Falls außerdem zu viel Wasser von der Kathode durch die Oxidationsmittel-Gasströmung entfernt wird, kann die Kathode austrocknen, was die Fähigkeit von Wasserstoffionen, durch die PEM zu gelangen, begrenzt, wodurch die Leistung der Zelle verringert wird.
  • Als Brennstoffzellen in Stromerzeugungsanlagen integriert wurde, die entwickelt wurden, um Fahrzeuge wie z. B. Automobile, Lastkraftfahrzeuge, Busse etc. anzutreiben, wurde das Erhalten eines effizienten Wasserausgleichs innerhalb der Stromerzeugungsanlage eine größere Herausforderung aufgrund einer Mehrzahl von Faktoren. Beispielsweise kann Wasser, was bei einer nicht-beweglichen Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage verloren geht, durch Wasser ersetzt werden, welches der Anlage von Quellen außerhalb der Anlage zugeführt wird. Bei einem Transportfahrzeug muss die Anlage jedoch wassermäßig autark sein, um Gewichts- und Raumanforderungen zu minimieren, damit die Anlage brauchbar ist. Wassermäßige Autarkie bedeutet, dass genug Wasser innerhalb der Anlage zurück gehalten werden muss, um Verluste von einem Reaktantenfluidstrom auszugleichen, damit die Anlage effizient betrieben werden kann. Beispielsweise muss jegliches Wasser, welches die Anlage durch einen Kathodenabgasstrom des gasförmigen Oxidationsmittels oder durch einen Anodenabgasstrom des gasförmigen reduzierenden Fluids ausgeglichen werden durch Wasser, welches elektrochemisch an der Kathode erzeugt und innerhalb der Anlage zurückgehalten wird.
  • Ein Ansatz zur Verbesserung der Wasserbilanz für Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen in Transportfahrzeugen ist es, die Zellen und damit verbundene Komponenten unter Druck zu setzen, um Reaktantenkonzentrationen in Hochdruck-Gasströmen zu erhöhen und dadurch den Wasserverlust durch Anlagen-Abgasströme zu verringern. Solche unter Druck stehenden Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen erfordern jedoch zusätzliche Kosten, Gewicht und Steuerungseinrichtungen zum Bereitstellen geeigneter Druckgehäuse und -steuerungen, und unter Druck stehende Anlagen erfordern zusätzliche von der Anlage gezogene Energie, um Druck erzeugende Pumpen, Ventile, Ventilatoren etc. zu betreiben, und sind nicht geeignet für bewegliche Stromerzeugungsanlagen.
  • Ein weiterer üblicher Ansatz zur Verbesserung der Wasserbilanz ist die Verwendung von kondensierenden Wärmetauschern stromabwärts von Stromerzeugungsanlagen-Abgasströmen, wobei die Abgasströme auf eine Temperatur bei oder unterhalb ihres Taupunkts gekühlt werden, um Flüssigkeit aus den Abgasströmen auszuscheiden, so dass die Flüssigkeit der Stromerzeugungsanlage wieder zugeführt werden kann. Ein Beispiel für eine PEM-Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, welche einen kondensierenden Wärmetau scher verwendet, ist in US-Patent Nr. 5 573 866 gezeigt, welches am 12. November 1996 an Van Dine et al. erteilt wurde und dem Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen wurde, und welches Patent hiermit durch Referenz mit einbezogen wird. Viele andere Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen, welche einen oder mehrere kondensierende Wärmetauscher verwenden, sind im Stand der Technik bekannt, und sie verwenden üblicherweise Umgebungsluft als kühlendes Fluid, welches durch den Tauschen strömt, um die Anlagen-Abgasströme zu kühlen. In Van Dine et al. wird der Wärmetauscher verwendet, um einen Abgasstrom zu kühlen, der die Kathodenkammer verlässt, welche die Kathodenelektrode beherbergt. Vor dem Eintreten in das Kathodengehäuse liefert der gleiche Strom Luft als Oxidationsmittel für die Kathodenelektrode, und nach Verlassen der Kammer weist der Strom verdampftes Produkt-Wasser und einen Teil des Methanols, das reduzierende Fluid auf, welches durch die PEM geströmt ist. Der kondensierende Wärmetauscher umströmt den Kathodenabgasstrom in einem Wärmetauschverhältnis mit einem Strom von kühlender Umgebungsluft und leitet dann kondensiertes Methanol und Wasser indirekt durch ein Leitungssystem zurück zur Anodenseite der Zelle.
  • Während kondensierende Wärmeaustauscher verbesserte Wasserbilanz und Energieeffizienz bei Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen mit Umgebungsdruck und bei unter Druck stehenden Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen haben, unterliegen die Wärmetauscher einer abnehmenden Wasserrückgewinnungseffizienz, wenn die Umgebungstemperaturen ansteigen. Wenn die Stromerzeugungsanlage ein Transportfahrzeug, z. B. ein Automobil, antreiben soll, wird die Anlage einem extrem breiten Bereich von Umgebungstemperaturen ausgesetzt. Wenn ein Umgebungsluft-Kühlmittelstrom beispielsweise durch einen Wärmetauscher strömt, wird die Leistung des Tauschers in direkter Abhängigkeit der Temperatur der Umgebungsluft variieren, weil abnehmende Mengen von Flüssigkeit aus den Stromerzeugungsanlagen-Abgasströmen ausgeschieden werden, wenn die Umgebungsluft-Temperatur zunimmt.
  • Eine zusätzliche Komplikation bekannter Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen, welche zur Verwendung in Transportfahrzeugen entworfen wurden, hat ebenfalls mit Schwankungen in der Umgebungsluft zu tun. Brennstoffzellen solcher Anlagen verwenden typischerweise Umgebungsluft als Oxidationsmittel, welches zur Kathodenelektrode geleitet wird. Heiße und trockene Umgebungsluft erhöht ein Risiko, dass die Kathodenelektrode austrocknet. Folglich wurden viele Anstrengungen unternommen, um Austrocknen der Kathodenelektrode und des benachbarten Elektrolyten, insbesondere bei PEM-Brennstoffzellen, zu vermeiden, einschließlich: Leiten von flüssigem Kondensat von Wärmetauschern, um die gasförmigen Reaktanten- und Oxidationsmittel-Ströme, welche in die Zelle eintreten, zu befeuchten; Hinzufügen poröser Trägerschichten und Wassertransportplatten, welche in Fluidverbindung mit den Elektroden stehen, zur Bewegung von Kühlmittelwasser durch benachbarte Zellen; und Erzeugen eines Druckunterschieds an der Anodenseite der Zelle, wobei gasförmige reduzierende Fluide bei einem leicht erhöhten Druck im Vergleich zu Kühlmittelwasser und Anodenversorgungswasser gehalten werden, welche durch die porösen Trägerschichten benachbart zu den Verteilungskanälen mit reduzierendem Gas strömen, so dass der Druckunterschied beim Wassertransport durch die porösen Transportschichten und die Zelle hilft. Derartige Anstrengungen zum Erhalten einer effizienten Wasserbilanz gehen einher mit zusätzlichen Kosten, Gewicht und Volumen und erfordern häufig komplizierte Steuerungseinrichtungen.
  • Weitere Probleme, in bekannten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen die Wasserbilanz zu erhalten, sind verbunden mit notwendigen Komponenten zum Aufbereiten von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen, wie z. B. Methan, Erdgas, Benzin oder Dieselbrennstoff etc., zu einem geeigneten reduzierenden Fluid, welches ein wasserstoffreiches Fluid für die Anodenelektrode zur Verfügung stellt. Derartige Brennstoffaufbereitungskomponenten einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage weisen üblicherweise einen Hilfsbrenner auf, welcher Dampf erzeugt; eine Dampfleitung, in welche der Kohlenwasserstoff-Brennstoff eingespritzt wird; und einen autothermen Reformer, welcher den Dampf, die Brennstoffmischung und eine kleine Menge Luft aufnimmt und die Mischung in ein wasserstoffangereichertes reduzierendes Fluid transformiert, welches zur Lieferung an die Anodenelektrode der Brennstoffzelle geeignet ist. Diese Komponenten zur Brennstoffaufbereitung weisen ebenfalls Wasser- und Energieanfordernungen auf, welche Teil der gesamten Wasserbilanz und Energieanforderung der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bilden. Wasser, welches in einem Dampfgenerator des Hilfsbrenners zu Wasserdampf gemacht wird, muss durch Wasser ersetzt werden, welches von der Anlage zurückgewonnen wird, z. B. durch kondensierende Wärmetauscher in dem Kathodenabgasstrom und damit verbundenen Leitungen. Oxidationsmittelströme des Verfahrens, welche auch den Hilfsbrenner und autothermen Reformer versorgen, müssen außerdem innerhalb eines konstanten Feuchtigkeitsbereichs gehalten werden, um Schwankungen in der Leistung dieser Komponenten zu verhindern. Wenn die Oxidationsmittelströme des Verfahrens für die Komponenten zur Brennstoffaufbereitung durch Umgebungsluft zur Verfügung gestellt werden, verkompliziert das Befeuchten dieser Ströme, um die Leistung dieser Komponenten zur Brennstoffaufbereitung zu stabilisieren, weiter das Aufrechterhalten einer autarken Wasserbilanz einer derartigen Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage.
  • Dementsprechend sind bekannte unter Druck stehende Anlagen und Anlagen, welche Umgebungsluft als Kathoden-Oxidationsmittel oder Umgebungsluft für kondensierende Wärmetauscher und/oder Brennstoffaufbereitungskomponenten verwenden, nicht in der Lage, eine effiziente Wasserbilanz zu maximieren und Energieanforderungen des Betriebs zu minimieren aufgrund ihrer oben beschriebenen Eigenschaften. Es ist daher außerordentlich wünschenswert, eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage herzustellen, welche eine effiziente Wasserbilanz für die gesamte Anlage erreicht und Energieanforderungen beim Anlagenbetrieb minimiert.
  • WO 99/05741, welches ein Anmeldedatum vor dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung hat, aber erst nach dieser Anmeldung erteilt wurde, beschreibt ein Brennstoffzellen-Gasmanagementsystem, welches ein Kathoden-Befeuchtungssystem, ein Elektroden-Feutigkeitsrückhaltesystem, ein Kühlwassserverarbeitungssystem aufweist. Es ist besonders gut für Fahrzeuganwendungen geeignet. Das Kathodenbefeuchtungssystem weicht eine Kom pressionseinrichtung zum Komprimieren von Luft auf, die zur Brennstoffzellenkathode zur Verwendung als Brennstoffzellen-Oxidationsmittel geführt werden soll, auf und eine empfindliche und latente Wärmeübertragungsvorrichtung, z. B. ein Enthalpie-Rad, zum Aufbereiten des komprimierten Oxidationsmittels.
  • US-5 759 712 bezieht sich auf ein Miniatur-Brennstoffzellensystem, aufweisend ein Feuchtigkeits- und Wärme-Rückgewinnungsuntersystem, welches durch einen Luftansaugkanal und einen Kathodenabgaskanal gebildet ist, welche parallel zueinander angeordnet und durch eine feuchtigkeitspermeable Membran (Nafion) voneinander getrennt sind. Ein Gebläse ist vorgesehen, um das Gas durch diesen Gegenstromkanal zu treiben. Die Kanäle stehen miteinander in Fluid-Verbindung in der Nähe der Kathode, so dass ein Vermischen zwischen der Ansaugluft und dem Kathodenabgas stattfinden kann. Dieses Dokument beschreibt kein Separatorgehäuse.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung ist eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit direkter Übertragung von Masse und Wärme gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9. Die Stromerzeugungsanlage umfasst zwei Hauptkomponenten, welche bestehen aus zumindest einer Brennstoffzelle und einer Vorrichtung zur direkten Massen- und Wärmeübertragung. Die Brennstoffzelle weist einen Elektrolyten auf, welcher entgegengesetzte erste und zweite Hauptflächen hat, eine von einer porösen Anodenträgerschicht getragene Anodenelektrode in engem Kontakt mit der ersten Hauptfläche und eine durch eine poröse Kathodenträgerschicht getragene Kathodenelektrode in engem Kontakt mit der zweiten Hauptfläche auf, einen wasserstoffreichen reduzierenden Fluid-Strom, welcher bei ungefähr Umgebungsdruck durch die Anodenträgerschicht in Kontakt mit der Anodenelektrode strömt, und einen Oxidationsmittelstrom, z. B. Luft, welcher bei ungefähr Umgebungsdruck durch die Kathodenträgerschicht in Kontakt mit der Kathodenelektrode strömt, um Oxidationsmittel für die Kathodenelektrode bereitzustellen und durch Verdampfung und Mitführen in einem Kathodenabgasstromprodukt-Wasser zu entfernen, welches an der Ka thode gebildet wurde, zusammen mit Wasser, welches von der Anodenelektrode durch den Elektrolyten gelangt, oder jegliches befeuchtendes Wasser in dem Oxidationsmittelstrom. Die Vorrichtung zur direkten Massen- und Wärmeübertragung leitet den Oxidationsmittelstrom stromaufwärts von der Brennstoffzelle in einem Massenübertragungs-Verhältnis mit dem Kathodenabgasstrom der Zelle, so dass Masse, z. B. Wasser, welche durch den Kathodenabgasstrom mitgenommen wurde, direkt durch ein Transfermedium der Massen- und Wärmeübertragungsvorrichtung in den Oxidationsmittelstrom strömt, welcher in die Zelle gelangt, wodurch der Oxidationsmittelstrom, der in die Zelle gelangt, befeuchtet wird und ihm Wärme zugeführt wird. Die Vorrichtung zur direkten Massenübertragung weist ein Separatorgehäuse zum Halten des Übertragungsmediums auf, welches in einer Massenübertragungsbeziehung mit dem Kathodenabgasstrom und Oxidationsmitteleinlassstrom steht, so dass die Ströme das Übertragungsmedium kontaktieren und das Separatorgehäuse ein Vermischen des Großteils der Ströme verhindert. Das Übertragungmedium kann jegliche einer Vielzahl von Materialien zum Absorbieren einer Fluid-Substanz aufnehmen, die aus polaren Molekülen, wie z. B. Wasser, aus einem Fluid-Strom besteht, der Fluid-Substanzen enthält, welche aus polaren und nicht-polaren Molekülen bestehen. Ein beispielhaftes Übertragungsmedium weist einen Flüssigwasserbereich einer wassergesättigten Polyfluorsulfon-Ionomer-Membran auf.
  • In einer alternativen Ausführungsform weist die Stromerzeugungsanlage der vorliegenden Erfindung ebenfalls Komponenten zum Aufbereiten von Kohlenwasserstoffbrennstoffen zu wasserstoffreichen reduzierenden Fluiden auf, welche geeignet sind, Brennstoff für die Anode bereitzustellen. Die Komponenten zur Brennstoffaufbereitung weisen einen Hilfsbrenner auf, welcher Wärme für einen Dampfgenerator bereitstellt, und einen autothermen Reformer, welcher den Dampf gemischt mit dem Kohlenwasserstoffbrennstoff und einer kleinen Menge Luft aufnimmt und es zu einer wasserstoffreichen Strömung konvertiert, die geeignet ist, Wasserstoff für die Anodenelektrode bereitzustellen, wie es im Stand der Technik bekannt ist. In einer derartigen Ausführung leitet die Massen- und Wärmeübertragungsvorrichtung ebenfalls Aufbereitungsströme, welche in den Hilfsbrenner und autothermen Reformer einströmen, in einer Massenübertragungsbeziehung mit dem Kathodenabgasstrom, um Masse und Wärme, z. B. Wassserdampf zu den Strömen zu übertragen, welche in den Hilfsbrenner und autothermen Reformer einströmen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Elektrolyt der Brennstoffzelle eine Protonaustauschmembran ("PEM").
  • Bei der Verwendung der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit direkter Massen- und Wärmeübertragung ist eine Masseaufnahmerate und damit Wärmeaufnahmerate, durch die Oxidationsmittelströme nicht ausschließlich eine Funktion der Umgebungslufttemperatur oder -feuchtigkeit, weil die Masse direkt vom Kathodenabgasstrom zu den Oxidationsmittelströmen, welche in die Stromerzeugungsanlage einströmen, übertragen wird, sondern ist eine Funktion der Partialdruckunterschiede zwischen Masse in den Oxidationsmittelströmen, welche in die Stromerzeugungsanlage einströmen, und der Masse im Kathodenabgas, welches die Anlage verlässt. Die vorliegende Erfindung erlaubt daher größere Wasserrückgewinnung, als es mit einer Anlage möglich wäre, welche einen durch Umgebungsluft gekühlten Wärmetauscher verwendet, welcher eine Wasserrückgewinnungsrate hat, welche größtenteils abhängig von Umgebungstemperaturen ist. Wenn die Umgebungslufttemperatur zunimmt, nimmt mit der vorliegenden Erfindung ein benötigter Wärmetransfer von dem Kathodenabgas zu den einströmenden Oxidationsmittelströmen für optimale Anlageneffizienz ab, eine Massenübertragungskapazität der Vorrichtung zur direkten Übertragung bleibt jedoch konstant. Außerdem werden komplexe, schwere und teure Einrichtungen zum Wärmetausch und/oder zum Unterdrucksetzen der Zelle nicht benötigt, wodurch die Wasserbilanz und Energieeffizienz der Anlage verbessert wird, während Gewicht, Volumen und Kosten abnehmen.
  • Dementsprechend ist es ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit direkter Massen- und Wärmeübertragung bereitzustellen, welche die Nachteile der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen aus dem Stand der Technik behebt.
  • Es ist ein spezifischeres Ziel, eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit direkter Massen- und Wärmeübertragung bereitzustellen, die wassermäßig über einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen autark ist.
  • Es ist noch ein weiteres Ziel, eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit direkter Massen- und Wärmeübertragung bereitzustellen, welche Wasser und Wärme, welche die Anlage verlassen, an die Anlage zurückführt, ohne Fluid-Ströme innerhalb der Anlage zu komprimieren und ohne einen kondensierenden Wärmetauscher zu verwenden.
  • Es ist noch ein weiteres Ziel, eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit direkter Massen- und Wärmeübertragung bereitzustellen, welche Masse und Wärme, die die Stromerzeugungsanlage verlassen, direkt zu den Oxidationsmittelströmen überträgt, welche in die Stromerzeugungsanlage einströmen, um diese Ströme zu befeuchten und zu erwärmen.
  • Es ist noch ein weiteres spezifisches Ziel, eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit direkter Massen- und Wärmeübertragung bereitzustellen, welche Wasser, das die Anlage in einem Kathodenabgasstrom verlässt, zurückzugewinnt, um Wasser als Reaktant für Komponenten zum Aufbereiten von Kohlenwasserstoffbrennstoffen, welche von der Anlage verwendet werden, bereitzustellen.
  • Diese und weitere Ziele und Vorteile dieser Erfindung werden besser ersichtlich, wenn die folgende Beschreibung in Verbindung mit dem begleitenden Zeichnungen durchgelesen wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit direkter Massen- und Wärmeübertragung, welche entsprechend der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
  • 2 ist eine schematische Darstellung der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit direkter Massen- und Wärmeübertragung von 1, welche Komponenten zur Aufbereitung von Kohlenwasserstoffbrennstoffen zu für die Brennstoffzellen geeigneten Brennstoffen verwendet.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Es wird detailliert auf die Zeichnungen Bezug genommen. Eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit direkter Massen- und Wärmeübertragung gemäß der vorliegenden Erfindung wird gezeigt und im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Wie am besten in 1 ersichtlich, weist die Stromerzeugungsanlage 10 mindestens eine Brennstoffzelle 12 und eine Vorrichtung 14 zur direkten Massen- und Wärmeübertragung auf. Die Brennstoffzelle 12 weist einen Elektrolyten 16, z. B. eine Protonenaustauschmembran ("PEM") oder einen sauren oder alkalischen Elektrolyten auf mit einer ersten Hauptfläche 18 und einer entgegengesetzten zweiten Hauptfläche 20; eine Anodenelektrode 22, welche durch eine poröse Anodenträgerschicht 24 in engem Kontakt mit der ersten Hauptfläche 18 des Elektrolyten 16 gehalten wird; und eine durch eine poröse Kathodenträgerschicht 28 getragene Kathodenelektrode 26 in engem Kontakt mit der zweiten Hauptfläche 20 des Elektrolyten 16. Die porösen Anoden- und Kathodenträgerschichten 24, 28 können aus porösen oder mit Kanälen versehenen Grafit-, Kohlenstoff- oder Metallplatten gebildet sein. Die Brennstoffzelle 12 kann mit anderen nahezu identischen Brennstoffzellen in bekannter Weise kombiniert werden, um einen Stapel zu bilden. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, kann die Brennstoffzelle 12 innerhalb einer Struktur 30 umschlossen sein, welche Verzweigungssysteme zum Leiten von Strömen von reduzierenden Fluiden und Oxidationsmittel in die und aus der Zelle hinaus definiert, und die Struktur 30 weist ebenfalls elektrische Leitungseinrichtungen zum Leiten eines elektrischen Stroms, der von der Brennstoffzelle erzeugt wurde, aus der Zelle 12 zu einer Elektrizität verbrauchenden Vorrichtung 32, z. B. einen standardmäßigen externen Lastkreis 34, auf.
  • Ein Oxidationsmittelstrom, z. B. Luft, wird von einer Oxidationsmittelquelle 36 in die Brennstoffzelle 12 durch eine primäre Oxidationsmittelleitung 38 geleitet, welche einen Oxidationsmittelstrom in die poröse Kathodenträgerschicht 28 leitet, so dass das Oxidationsmittel in Kontakt mit der Kathodenelektrode 26 strömt, um Oxidationsmittel für die Elektrode 25 bereitzustellen, um eine elektrochemische Reaktion an der Kathodenelektrode zu unterstützen und zum Einführen von Wasser in den Oxidationsmittelstrom durch Verdampfen und/oder Mitführen, welches an der Kathodenelektrode 26 gebildet wurde, wie auch von Wasser, welches durch den Elektrolyten 16 von der Anodenelektrode getragen wurde, oder von jeglichem befeuchtenden Wasser im Oxidationsmittelstrom pumpt. Der Oxidationsmittelstrom strömt anschließend aus der Kathodenträgerschicht 28 als Kathodenabgasstrom innerhalb einer Kathodenabgasleitung 40 hinaus. Ein Strom mit reduzierendem Fluid wird von einer Vorratsquelle 42 für reduzierendes Fluid durch einen Einlass 44 des reduzierenden Fluids in die poröse Anodenträgerschicht 24 geleitet, so dass das reduzierende Fluid, z. B. Wasserstoff, in Kontakt mit der Anodenelektrode 22 kommt. Auf bekannte Weise reagiert das reduzierende Fluid elektrochemisch an der Anodenelektrode, um Protonen und Elektronen zu erzeugen, wobei die Elektroden durch den externen Lastkreis 34 fließen, um die elektrische Vorrichtung 32, z. B. elektrische Motoren, welche ein Transportfahrzeug antreiben, anzutreiben, während die Protonen durch den Elektrolyten 16 zur Kathodenelektrode 26 gelangen. Die Elektronen strömen dann weiter durch den Schaltkreis 34 zur Kathodenelektrode, wo sie mit dem Oxidationsmittel reagieren, um Wasser und Wärme zu bilden.
  • Die Vorrichtung 14 zur direkten Massen- und Wärmeübertragung ist in Fluidverbindung mit sowohl der primären Oxidationsmittelleitung 38 und der Kathodenabgasleitung 40 fixiert. Die Vorrichtung zur direkten Massen- und Wärmeübertragung 14 weist eine Übertragungsmediumeinrichtung 46 auf, zum Absorbieren einer Fluid-Substanz, welche aus polaren Molekülen innerhalb eines ersten Fluid-Stroms steht, der Fluid-Substanzen enthält, welche aus polaren und nicht-molaren Molekülen bestehen, z. B. ein Strom, aufweisend Wasserdampf und/oder mitgeführte Flüssigkeits-Feuchtigkeit (eine aus polaren Molekülen bestehende Fluid-Substanz) und Luft (eine aus nicht-polaren Mo lekülen bestehende Fluid-Substanz) und zum Desorbieren der absorbierten Flüssigkeit in einen zweiten Strom mit niedrigerem Anteil der Fluid-Substanz, bestehend aus polaren Molekülen, als der erste Strom. Zu beispielhaften Übertragungsmedium-Einrichtungen gehören der Flüssigwasserbereich eines Ionenaustauschharzes oder einer ionomeren Membran, z. B. eine wassergesättigte Polyfursulfon-Ionomermembran, welche unter dem Handelsnamen "Nafion" zu durch die E. I. DuPont Company aus Willmington, Delaware, USA, verkauft wird, oder der Flüssigwasserbereich von Rohren, die aus der o. g. "Nafion"-Membran gemacht und unter der Handelsbezeichnung "ME-SERIES MOISTURE EXCHANGERS" durch die Perma Pure, Inc. Company aus Toms River, New Jersey, USA, verkauft werden. Ein weiteres Übertragungsmedium umfasst ein Trockenmittelmaterial, welches in der Lage ist, Feuchtigkeit aus einem Gasstrom zu absorbieren und in der Lage ist, die Feuchtigkeit in einem Gasstrom zu desorbieren (abzugeben), z. B. fein gepulverte feste kristalline Alkalimetall- oder Erdalkalimetallverbindungen einschließlich aktivierte Kohlenstoffe, Silicagel, aktivierte Aliminiumoxide und Zeolite, wie detaillierter beschrieben in Spalte ?? 5, Zeile 9 bis Spalte 6, Zeile 17 in dem US-Patent Nr. 5 542 968, welches am 6. August 1996 an Belding et al. erteilt wurde, welches hiermit durch Referenz einbezogen wird.
  • Die Vorrichtung 14 zur direkten Massenübertragung umfasst eine Separatorgehäuse-Einrichtung 48 zum Halten der Übertragungsmediums-Einrichtung 46 im Massenübertragungsverhältnis mit dem Kathodenabgasstrom und dem Oxidationsmitteleinlassstrom, so dass beide Ströme die Massenübertragungsmedium-Einrichtung kontaktieren und die Separatorgehäuse-Einrichtung ein Vermischen des Großteils des Kathodenabgases und des Oxidationsmitteleinlassstroms verhindert. Beispielhafte Separatorgehäuse-Einrichtungen können eine Umschließung umfassen (in 1 und 2 mit Bezugszeichen 48 schematisch gezeigt), die die Übertragungsmedium-Einrichtung 46 zwischen einer Einlasskammer 50 und einer Abgaskammer 52 hält. Der Oxidationsmitteleinlassstrom strömt von der Oxidationsmittelquelle 36 durch eine Oxidationsmittelversorgungsleitung 54 in und durch die Einlasskammer 50 in die primäre Oxidationsmittelleitung 38, während der Kathodenabgasstrom von der Kathodenabgasleitung 40 in und durch die Abgaskammer 52 strömt, um die Anlage 10 durch Anlagenabgasauslass 56, in Fluidverbindung mit der Abgaskammer 52, zu verlassen. Zusätzliche Separatorgehäuse-Einrichtungen 48 können kompliziertere Umschließungen umfassen, die strukturiert sind, um die Exposition der Oxidationsmitteleinlass- und Kathodenabgas-Ströme gegenüber der Massenübertragungsmedium-Einrichtung zu verbessern, während ein Vermischen des Großteils der Ströme, die in der bekannten Fluid-zu-Fluid-Wärmeaustauschtechnik üblich sind, zu verhindern. Ein zusätzlicher und kooperativer Aspekt der Separatorgehäuse-Einrichtung 48 umfasst Membranbereiche, welche Flüssigwasser-Bereiche in den o. g. "Nafion"-Membranmaterialien tragen und Rohrbereiche, welche flüssiges Wasser in den o. g. "Nafion"-basierenden Röhren tragen, welche unter dem Handelsnamen "ME-SERIES MOISTURE EXCHANGERS" durch Perma Pure, Inc. verkauft werden. In einer derartigen Separatorgehäuse-Einrichtung 48 übertragen "Nafion"-basierte Massenübertragungsmedium-Einrichtungen selektiv Fluid-Substanzen, welche aus polaren Molekülen, z. B. Wasserdampf oder mitgeführte flüssige Feuchtigkeit, von einer Seite der Membran mit einer größten Konzentration der Fluid-Substanzen, welche aus polaren Molekülen bestehen, zu einer Seite mit einer geringeren Konzentration, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
  • Eine weitere beispielhafte Separatorgehäuse-Einrichtung umfasst ein Enthalpie-Rad (enthalpy wheel), welches die o. g. Trockenmittel-Massenübertragungsmedium-Einrichtung in einer drehbaren Anordnung zwischen einem Feuchtigkeits-beladenen Abgasstrom und einem trockenen Einlassstrom hält, wie detaillierter beschrieben in Spalte 4, Zeile 35 bis Spalte 5, Zeile 4 und im Allgemeinen im o. g. US-Patent Nr. 5 542 968. Das Rad weist eine Mehrzahl von Passagen mit offenem Ende auf, welche im Allgemeinen parallel zu einer Drehachse des Rads verlaufen, wobei die Passagen üblicherweise gebildet werden durch Winden einer flachen Wellpappe, wobei das Massenübertragungsmedium-Trockenmittel um eine zentrale Nabe des Rads umfasst wird, bis ein mehrschichtiges Medium aufgebaut ist, dass sich zu einem äußeren Gehäuse einer Kassette erstreckt, welche das Rad hält. Derartige Enthalpie-Räder sind in der Technik der Luftklimatisierung bekannt, wie ferner in US-Patent Nr. 5 660 048, erteilt an Bedding et al. am 26. August 1997, beschrieben und hiermit durch Referenz einbezogen. Als eine Separatorgehäuse-Einrich tung würde das Enthalpie-Rad gehalten werden, damit es sich um eine Achse parallel zur Strömungsrichtung durch die Einlass- und Abgaskammern 50, 52 drehen kann, so dass der Kathodenabgasstrom durch etwa eine Hälfte des Rads strömt, während gleichzeitig der Oxidationseinlassstrom durch die andere Hälfte des Rads strömt. Das Transfermedium-Einrichtung-Trockenmittel auf einem ersten Bereich innerhalb der Abgaskammer 52 würde dadurch eine Fluidsubstanz absorbieren, die aus polaren Molekülen, z. B. Wasserdampf oder vom Kathodenabgasstrom mitgeführte flüssige Feuchtigkeit besteht, und wenn das Rad sich dreht, um den ersten Bereich des Rads in der Einlasskammer 50 zu positionieren, falls die Konzentration der Fluidsubstanz, bestehend aus polaren Molekülen, innerhalb des Einlassoxidationsmittelstroms niedriger als die Konzentration der aus Fluidmolekülen bestehenden Fluidsubstanz innerhalb des Kathodenabgasstroms ist, würden die absorbierten polaren Fluidsubstanzmoleküle, welche vom Trockenmittel gehalten werden, in den Oxidationseinlassstrom desorbiert werden, um den Oxidationsmittelstrom zu befeuchten und zu erwärmen.
  • Wie in 1 gezeigt, kann die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit direkter Massenübertragung ebenfalls ein Gebläse 58 umfassen, welche auf der Oxidationsmittelzuführleitung 54 positioniert ist, um die Strömung von gasförmigem Oxidationsmittel in die Anlage 10 variabel zu beschleunigen. Optional kann das Gebläse 58 entlang der primären Oxidationsmittelleitung 38 zu demselben Zweck positioniert werden. Es wird jedoch betont, dass das Gebläse ausgelegt ist, die Betriebsdrücke des Oxidationsmittels nur leicht zu erhöhen, von einem Bereich von Umgebungsdruck bis ca. 6,89 kPa oberhalb Umgebungsdruck, bzw. von ca. 101,28 kPa zu ca. 108,17 kPa.
  • Wie in 2 gezeigt, kann die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit direkter Massenübertragung auch Brennstoffaufbereitungskomponenten-Einrichtungen zum Aufbereiten von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen zu reduzierenden Fluiden aufweisen, die geeignet sind, Brennstoff für eine Anodenelektrode einer Brennstoffzelle bereitzustellen. Beispielhafte Kohlenwasserstoffbrennstoffe zum Betreiben einer derartigen Anlage 10 umfassen Benzin, Dieseltreibstoff, Butan, Propan, Erdgas, Methanol, Ethanol etc.
  • In 2 haben Komponenten der Anlage 10, die identisch mit der schematischen Darstellung der Anlage 10 von 1 sind, die gleichen Bezugszeichen. Wie in 2 gezeigt, können die Brennstoffaufbereitungskomponenten-Einrichtungen umfassen: einen Hilfsbrenner 60 (zur Vereinfachung als "Hilfsbrenner" in 2 bezeichnet), welcher einen Brennstoff verbrennt, einschließlich jeglichen überschüssigen reduzierenden Fluids, z. B. Wasserstoff, welches den Brenner 60 durch die Leitung 62 von der Anodenträgerschicht 24 und Zellenstruktur 30 zugeführt wird; einen Dampfgenerator (in 2 mit "Dampf" bezeichnet), welcher Wärme direkt von dem Brenner über die Wärmeleitung 66 aufnimmt, um Dampf aus einem Wasservorrat zu erzeugen; einen Reformer 68, welcher ein autothermer Reformer sein kann (mit "A. T. R." bezeichnet in 2), welcher Dampf von dem Dampfgenerator 64, gemischt mit Kohlenwasserstoffbrennstoff, durch die Dampfleitung 70 aufnimmt; eine Kohlenwasserstoffbrennstoff-Vorratsquelle 70 (in 2 mit Brennstoff bezeichnet), welche Brennstoff zur Dampfleitung durch die Brennstoffleitung 74 führt; und eine Auslassleitung 75 für reformierten Brennstoff, welche den reformierten Brennstoff vom autothermen Reformer 68 zum Einlass 44 für reduzierendes Fluid leitet. Die Brennstoffaufbereitungskomponenten-Einrichtungen können auch Komponenten umfassen, welche beim konventionellen Dampf-Reformen bekannt sind, autothermen Reformen verschiedener chemischer Verbindungen und Reformen mit teilweiser Oxidation, welche alle einen Reformer 68 umfassen.
  • Wie in 2 gesehen, in welcher die Anlage 10 solche Brennstoffaufbereitungskomponenten umfasst, kann die primäre Oxidationsmittelleitung 38, welche den Oxidationsmittelstrom zur Kathodenträgerschicht führt, geteilt werden, um eine sekundäre Oxidationsmittelleitung 76 zu umfassen, welche einen Teil des Oxidationsmitteleinlassstroms in die Brennstoffaufbereitungskomponenten-Einrichtungen, z. B. in die Dampfleitung, leitet, um Aufbereitungsoxidationsmittel für den autothermen Reformer zu werden, so dass ein Teil der Masse und Wärme, z. B. vom Kathodenabgas durch die Massenübertragungsvorrichtung 14 zurückgewonnener Wasserdampf, zu der Dampf- und Brennstoffmischung geleitet wird, welche in den autothermen Reformer einströmt. Auf diese Weise werden die Gesamtanforderungen an Wärme und Dampf des Hilfsbrenners 60 und Dampfgenerators 64 verringert.
  • Um ferner die Brennstoffaufbereitungskomponenten zu versorgen, kann die primäre Oxidationsmittelleitung 38 weiter geteilt werden, um eine tertiäre Oxidationsmittelleitung 78 zu umfassen, welche einen Teil des Oxidationsmitteleinlassstroms in den Hilfsbrenner 60 leitet, um Aufbereitungsoxidationsmittel für den Brenner 60 zu werden, wodurch ein Teil der Masse und Wärme, z. B. von der Massenübertragungsvorrichtung 14 aus dem Kathodenabgasstrom übertragener Wasserdampf, in den Brenner 60 geleitet wird, um die Energieanforderungen des Brenners 60 effektiv zu reduzieren und vom Kathodenabgasstrom zurückgewonnenes Wasser zurück in die Anlage 10 zu leiten, um effektiv Wasser innerhalb des Dampfgenerators 64 zu ergänzen und die Wasser-Autarkie der Anlage 10 zu verbessern. Die Brennstoffaufbereitungskomponenten besitzen eine relativ konventionelle Konstruktion, welche in der Technik der chemischen Aufbereitung bekannt sind, in welcher es ein Erfordernis gibt, wasserstoffangereichertes Fluid aus verbreiteten Kohlenwasserstoffquellen zu erzeugen. Beispielsweise verbrennen autotherme Reformer in derartigen Prozessen typischerweise einen Teil des in der Brennstoff-Dampfmischung aufgenommenen Brennstoffs, um Temperaturen von ca. 927°C zu erreichen. Es ist auch in solchen Reforming-Prozessen auch bekannt, Produktgase des autothermen Reformers durch einen Wasser-Shift-Reaktor 79 zu leiten und anschließend durch einen selektiven Oxidierer 81 und dann in den Einlass für reduzierendes Fluid, so dass ein reduzierender Fluidstrom im Einlass 44 Wasserstoff und Kohlendioxid mit sehr kleinen Mengen von Kohlenmonoxid aufweist.
  • In einer zusätzlichen Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 mit direkter Massenübertragung kann eine Kühlmittel-Wasserrückführungseinrichtung umfasst sein zum Rückführen von aus der Brennstoffzelle 12 zurückgewonnenem Wasser zu den Brennstoffaufbereitungskomponenten, um die Wasser-Autarkie der Anlage weiter zu verbessern. Die Kühlmittel-Wasserrückführungseinrichtung umfasst eine feinporige Wasserplatte 80 benachbart zur Kathodenträgerschicht 28, welche an der Kathodenelektrode gebildetes Wasser und/oder durch den Elektrolyten 16 gelangtes Wasser absorbiert; und eine Kühlmittelwasserleitung 82, welche Wasser in der porösen Wasserplatte 80 in die Brennstoffaufbereitungskomponenten-Einrichtungen leitet, z. B. in den Dampfgenerator, um die Wasserversorgung des Dampfgenerators weiter zu ergänzen. Wie aus 2 ersichtlich, wird ein Teil dieses Wassers dann durch die Dampfleitung 70 in den autothermen Reformer 68 geleitet und von dort durch die Auslasslinie 75 für reformierten Brennstoff und Einlass 44 für reduzierendes Fluid zurück in die Anodenträgerschicht 24, und kann dann durch den Elektrolyten 16 zurück in die poröse Wasserplatte 80 gelangen, um eine "Schleife" der Kühlmittel-Wasserrückführungseinrichtung zu vervollständigen. Die Kühlmittel-Wasserrückführungseinrichtung kann auch eine feinporige Wasserplatte benachbart zur Anodenträgerschicht 24 aufweisen und in einer solchen Reihenfolge zwischen jeder Zelle in einem Stapel, wie detaillierter in US-Patent 5 505 944 gezeigt, welches am 26. April 1996 an !Meyer et al. erteilt wurde, welches die Anmelderin der vorliegenden Erfindung besitzt und welches hiermit durch Referenz mit einbezogen wird.
  • Eine Konstruktionsabschätzung der Leistung der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 mit direkter Massenübertragung, wie in 1 gezeigt, produziert Daten, welche substanzielle Vorteile gegenüber vergleichbaren Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen aufzeigen, welche nicht eine Massenübertragungsvorrichtung 14 verwenden. Die Konstruktionsabschätzung verwendet auch "Nafion"-basierende Membran mit einer Wasserübertragungsrate von ca. 160 Pfund Wasser pro Stunde als Übertragungsmedium in einem Separatorgehäuse, welches einen Oxidationsmitteleinlassstrom in einer Massenübertragungsbeziehung mit einem Kathodenauslassstrom strömen lässt. Für Zwecke der Konstruktionsabschätzung hat die Brennstoffzelle eine Leistung von 50 kW. Der Oxidationsmitteleinlassstrom verlässt das Gebläse 58 mit einem Druck von 106,11 kPa, einer Strömung von 5,38 m3/min, einer Temperatur von 25°C und einem Taupunkt von unter 0°C. nach Verlassen der Massenübertragungsvorrichtung 14 ist der Oxidationsmittelstrom innerhalb der primären Oxidationsmittelleitung 38 bei 63,9°C gesättigt. Der Kathodenabgasstrom innerhalb der Kathodenabgaspassage 40 verlässt die Brennstoffzelle 12 und strömt in die Massenübertragungsvorrichtung 14 bei 88°C mit einem Taupunkt von 66,7°C ein; und der Kathodenstrom verlässt dann die Massenübertragungsvorrichtung 14 im Anlagenabgas bei einer Temperatur von 66,7°C und einem Taupunkt von 35°C und einer Strömungsrate von 6,12 m3/min.
  • Wie durch Gegenüberstellen der Eigenschaften des Oxidaitonsmittelstroms zwischen der primären Oxidationsmittelleitung 38 und dem Gebläse 58 offensichtlich wird, vergrößert die Vorrichtung 14 zur direkten Massenübertragung signifikant den Feuchtigkeits- und Wärmegehalt des Oxidationsmittelstroms, welcher in die Kathodenträgerschicht 28 einströmt, bei praktisch keiner Energieaufwendung der Anlage 10 und ohne ergänzende Leitungs- oder Steuerungseinrichtungen, um flüssiges Kondensat zurück in den Kathodeneinlassstrom zu leiten. Die Komponenten, welche die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 mit direkter Massen- und Wärmeübertragung bilden, sind aus konventionellen, im Stand der Technik bekannten Materialien gemacht, mit Ausnahme der Materialien, die hier detailliert beschrieben sind, z. B. die Übertragungsmedium-Einrichtung.
  • Während die vorliegende Erfindung in Bezug auf eine spezielle Konstruktion und Art der Verwendung der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit direkter Massen- und Wärmeübertragung beschrieben und dargestellt wurde, versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist. Während beispielsweise Bezug genommen wurde auf die Wasseranforderungen einer Brennstoffzelle, welche eine PEM als Elektrolyt verwendet, versteht es sich, dass jeglicher in bekannten Brennstoffzellen üblicher Elektrolyt in der Anlage verwendet werden kann. Dementsprechend sollte hauptsächlich auf die folgenden Ansprüche, denn auf die obige Beschreibung Bezug genommen werden, um den Umfang der Erfindung zu bestimmen.

Claims (12)

  1. Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (10) mit direkter Massen- und Wärmeübertragung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem reduzierenden Fluid und einem Oxidationsmittelfluid, aufweisend: a) mindestens eine Brennstoffzelle (12), aufweisend: i. einen Elektrolyten (16) mit einer ersten Hauptfläche (18) und einer entgegengesetzten zweiten Hauptfläche (20); und ii. eine von einer porösen Anodenträgerschicht (24) gehaltene Anodenelektrode (27) in engem Kontakt mit der ersten Hauptfläche (18) des Elektrolyten (16) und eine von einer porösen Kathodenträgerschicht (28) gehaltene Kathodenelektrode (26) in engem Kontakt mit der zweiten Hauptfläche (20) des Elektrolyten (16), wobei die poröse Anodenträgerschicht (24) positioniert ist zum Strömen eines Stroms des reduzierenden Fluids in Kontakt mit der Anodenelektrode (22) und die poröse Kathodenträgerschicht (28) zum Strömen eines Stroms des Oxidationsmittels in Kontakt mit der Kathodenelektrode (26). b) Brennstoff-Aufbereitungskomponenten-Einrichtung (60, 64, 68) zum Aufbereiten von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen zu wasserstoffreichen reduzierenden Fluiden, welche geeignet sind, Brennstoff für die Anodenelektrode (22) bereitzustellen; c) eine primäre Oxidationsmittelleitung (38), welche einen Oxidationsmitteleinlassstrom von einer Oxidationsmittelquelle (36) in die poröse Kathodenträgerschicht (28) leitet; d) eine sekundäre Oxidationsmittelleitung (76), welche einen Teil des Oxidationsmitteleinlassstroms in die Brennstoff-Aufbereitungskomponenten-Einrichtung (60, 64, 68) als Aufbereitungs-Oxidationsmittel für die Brennstoff-Aufbereitungskomponenten-Einrichtung leitet; e) eine Kathodenabgasleitung (40), welche einen Kathodenabgasstrom aus der porösen Kathodenträgerschicht (28) leitet; und f) eine Vorrichtung zur direkten Massen- und Wärmeübertragung (14), welche in Fluidverbindung mit der primären und der sekundären Oxidationsmittelleitung (38; 76) und mit der Kathodenabgasleitung (40) ist, aufweisend: i. eine Übertragungsmedium-Einrichtung (46) zum Absorbieren einer Fluid-Substanz, welche aus polaren Molekülen besteht, aus dem Kathodenabgasstrom und zum Desorbieren der Fluidsubstanz, bestehend aus polaren Molekülen, in dem Oxidationsmitteleinlassstrom; und ii. eine Separatorgehäuse-Einrichtung (48) zum Halten der Übertragungsmedium-Einrichtung (46) in einem Massenübertragungsverhältnis mit dem Kathodenabgasstrom und dem Oxidationsmitteleinlassstrom, so dass beide Ströme die Massenübertragungsmedium-Einrichtung (46) kontaktieren, und zur Verhinderung des Durchmischens des Großteils der Kathodenabgas- und Oxidationsmitteleinlassstroms.
  2. Die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit direkter Massen- und Wärmeübertragung nach Anspruch 1, bei welcher die Brennstoffaufbereitungskomponenten-Einrichtung einen Hilfsbrenner (60), der Wärme für einen Dampfgenerator bereitstellt, einen Reformer (68), welcher Dampf aus dem Dampfgenerator, vermischt mit dem Kohlenwasserstoff, Brennstoff durch eine Dampfleitung (70) zwischen dem Dampfgenerator (64) und dem Reformer (68) aufnimmt, eine Vorratsquelle (72) des Kohlenwasserstoff-Brennstofts, welche den Kohlenwasserstoff-Brennstoff in die Dampfleitung (70) führt, und eine Auslassleitung (75) für reformierten Brennstoff, aufweist, welche den reformierten Brennstoff in die Anodenträgerschicht (24) leitet, und bei welcher die sekundäre Oxidationsmittelleitung (76) einen Bereich des Oxidationsmitteleinlassstroms zu der Dampfleitung (70) leitet.
  3. Die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (10) mit direkter Massen- und Wärmeübertragung nach Anspruch 2, bei welcher die Anlage eine tertiäre Oxidationsmittelleitung (78) in Fluidverbindung mit der Vorrichtung zur direkten Massen- und Wärmeübertragung (14) aufweist, welche einen Teil des Oxidationsmitteleinlassstroms in den Hilfsbrenner (69) leitet.
  4. Die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (10) mit direkter Massenübertragung nach Anspruch 3, bei welcher die Übertragungsmedium-Einrichtung (46) einen Bereich mit flüssigem Wasser einer ionomeren Membran aufweist, und die Separatorgehäuseeinrichtung (48) Membranbereiche aufweist, welche das flüssige Wasser der ionomeren Membran halten.
  5. Die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (10) mit direkter Massen- und Wärmeübertragung nach Anspruch 3, bei welcher die Übertragungsmedium-Einrichtung (46) einen Bereich mit flüssigem Wasser von ionomeren Membranröhren aufweist und die Separatorgehäuseeinrichtung (48) Röhrenbereiche aufweist, welche das flüssige Wasser in den ionomeren Membranenröhren halten.
  6. Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (10) mit direkter Massen- und Wärmeübertragung nach Anspruch 3, bei welcher die Übertragungsmediumeinrichtung (46) ein Trockenmittelmaterial aufweist, welches in der Lage ist, Feuchtigkeit aus einem Gasstrom zu absorbieren, und in der Lage ist, Feuchtigkeit in einen Gasstrom zu desorbieren.
  7. Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (10) mit direkter Massen- und Wärmeübertragung nach Anspruch 6, bei welcher die Separatorgehäuse einrichtung (48) ein Enthalpie-Rad aufweist, welches das Trockenmittelmaterial in einer Mehrzahl von Leitungen hält, die im Allgemeinen parallel zu einer Drehachse des Enthalpie-Rads verlaufen, und das Enthalpie-Rad drehbar innerhalb der Einlass- und Auslasskammer des Separatorgehäuses (48) gehalten ist, so dass das Rad sich um eine Achse dreht, die parallel ist zur Strömung des Oxidationsmitteleinlassstroms durch die Einlasskammer und zu dem Kathodenabgasstrom durch die Abgaskammer, um direkt absorbierte Feuchtigkeit aus dem Abgasstrom zu dem Oxidationsmitteleinlassstrom zu übertragen.
  8. Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (10) mit direkter Massen- und Wärmeübertragung nach Anspruch 1, bei welcher der Elektrolyt eine Protonaustauschmembran ist.
  9. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (10) mit direkter Massen- und Wärmeübertragung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Bereitstellen zumindest einer Brennstoffzelle (12), aufweisend: i. einen Elektrolyten (16) mit einer ersten Hauptfläche (18) und einer entgegengesetzten zweiten Hauptfläche (20); und ii. eine durch eine poröse Anodenträgerschicht (24) gehaltene Anodenelektrode in engem Kontakt mit einer ersten Hauptfläche (18) des Elektrolyten (16) und einer durch eine poröse Kathodenträgerschicht (28) gehaltene Kathodenelektrode (26) in engem Kontakt mit der zweiten Hauptfläche (20) des Elektrolyten (16), wobei die poröse Anodenträgerschicht (24) einen Strom des reduzierenden Fluids in Kontakt mit der Anodenelektrode (22) leitet und die poröse Kathodenträgerschicht (28) einen Oxidationsmittelstrom in Kontakt mit der Kathodenelektrode (26) leitet; b) Leiten eines Oxidationsmitteleinlassstroms durch eine primäre Oxidationsmittelleitung (38) bei ungefähr Umgebungsdruck aus einer Oxidationsmittelquelle (36) in die poröse Kathodenträgerschicht (28); c) Leiten eines Kathodenabgasstroms durch eine Kathodenabgasleitung (40) aus der porösen Kathodenträgerschicht (28); und d) Leiten des Oxidationsmitteleinlassstroms und Kathodenabgasstroms in einem Massenübertragungsverhältnis innerhalb einer Vorrichtung (14) zur direkten Massen- und Wärmeübertragung durch Leiten des Oxidationsmitteleinlasstroms und des Kathodenabgasstroms in Kontakt mit einem Übertragungsmedium (46) zum Absorbieren einer Fluidsubstanz, bestehend aus polaren Molekülen, aus dem Kathodenabgasstrom und zum Desorbieren der Fluidsubstanz, bestehend aus polaren Molekülen, in den Oxidationsmitteleinlassstrom, ferner durch Halten des Massenübertragungsmediums (46) innerhalb eines Separatorgehäuses (48), so dass beide Ströme das Massenübertragungsmedium kontaktieren und verhindert wird, dass ein Großteil der beiden Ströme sich innerhalb des Separatorgehäuses (48) vermischt, ferner aufweisend den Schritt des Leitens eines Teils des Oxidationsmitteleinlassstroms durch eine sekundäre Oxidationsmittelleitung (76) zu den Brennstoffaufbereitungskomponenten (60; 64; 68) der Anlage (10) als ein Aufbereitungsoxidationsmittel für die Brennstoffaufbereitungskomponenten (60; 64; 68).
  10. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (10) nach Anspruch 9, ferner aufweisend den Schritt des Leitens eines Teils des Oxidationsmitteleinlassstroms durch die sekundäre Oxidationsmittelleitung (76) in eine Dampfleitung (70), welche Dampf und Kohlenwasserstoffbrennstoff für einen Reformer (68) der Anlage (10) bereitstellt, und Leiten eines Teils des Oxidationsmitteleinlassstroms durch eine tertiäre Oxidationsmittelleitung (78) zu einem Hilfsbrenner (60), welcher Wärme für einen Dampfgenerator (64) der Anlage bereitstellt.
  11. Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (10) nach Anspruch 9, ferner aufweisend den Schritt des Leitens des Oxidationsmitteleinlassstroms und des Kathodenabgasstroms in einem Massenübertragungsverhältnis durch Leiten des Oxidationsmitteleinlassstroms und Kathodenabgasstroms in Kontakt mit einem Bereich mit flüssigem Wasser einer ionomeren Membran.
  12. Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (10) nach Anspruch 9, ferner aufweisend den Schritt des Leitens des Oxidationsmitteleinlassstroms und des Kathodenabgasstroms in einem Masseübertragungsverhältnis durch Leiten des Oxidationsmitteleinlassstroms und des Kathodenabgasstroms in Kontakt mit einem Bereich mit flüssigem Wasser einer ionomeren Austauschröhre.
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WO (1) WO1999067829A2 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012018164A1 (de) * 2012-09-14 2014-03-20 Forschungszentrum Jülich GmbH Verfahren zum Betreiben eines Wasserdampf benötigenden Teilprozesses in einem Gesamtprozess

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6416895B1 (en) 2000-03-09 2002-07-09 Ballard Power Systems Inc. Solid polymer fuel cell system and method for humidifying and adjusting the temperature of a reactant stream
US6106964A (en) * 1997-06-30 2000-08-22 Ballard Power Systems Inc. Solid polymer fuel cell system and method for humidifying and adjusting the temperature of a reactant stream
US6048383A (en) * 1998-10-08 2000-04-11 International Fuel Cells, L.L.C. Mass transfer composite membrane for a fuel cell power plant
US6274259B1 (en) * 1999-09-14 2001-08-14 International Fuel Cells Llc Fine pore enthalpy exchange barrier
WO2001067533A2 (en) 2000-03-08 2001-09-13 Ballard Power Systems Inc. Membrane exchange humidifier
US6864005B2 (en) 2000-03-08 2005-03-08 Ballard Power Systems Inc. Membrane exchange humidifier for a fuel cell
JP2002280032A (ja) 2001-03-21 2002-09-27 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP4806139B2 (ja) * 2001-07-05 2011-11-02 本田技研工業株式会社 燃料電池の加湿システム
US6875246B2 (en) * 2001-07-20 2005-04-05 General Motors Corporation Water vapor transfer device for fuel cell reformer
FR2828011B1 (fr) * 2001-07-26 2004-05-28 Air Liquide Procede et installation d'alimentation en air d'une pile a combustile
KR20030018921A (ko) * 2001-08-31 2003-03-06 현대자동차주식회사 차량용 연료전지 시스템
JP2005108436A (ja) * 2001-10-02 2005-04-21 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池システム、および燃料電池発電方法
KR20030042640A (ko) * 2001-11-23 2003-06-02 (주)세티 연료전지스택의 캐소드에서의 공기의 가열 및 가습시스템
DE10309794A1 (de) * 2003-03-05 2004-09-23 Daimlerchrysler Ag Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle und einem Gaserzeugungssystem
FR2870641B1 (fr) * 2004-05-24 2006-08-11 Renault Sas Generateur electrochimique avec systeme de transfert d'eau sous forme vapeur
US20060251934A1 (en) * 2005-05-09 2006-11-09 Ion America Corporation High temperature fuel cell system with integrated heat exchanger network
US7665460B2 (en) 2005-10-11 2010-02-23 Kimberly-Clark Worldwide, Inc. Micro powered gas-forming device

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4365006A (en) * 1981-03-26 1982-12-21 Energy Research Corporation Fuel cell system for mobile applications
JPH06124722A (ja) * 1992-10-09 1994-05-06 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 加温・加湿システム装置及び燃料電池
US5635039A (en) * 1993-07-13 1997-06-03 Lynntech, Inc. Membrane with internal passages to permit fluid flow and an electrochemical cell containing the same
US5360679A (en) * 1993-08-20 1994-11-01 Ballard Power Systems Inc. Hydrocarbon fueled solid polymer fuel cell electric power generation system
US5542968A (en) * 1995-01-24 1996-08-06 Laroche Industries, Inc. Enthalphy Wheel
US5503944A (en) * 1995-06-30 1996-04-02 International Fuel Cells Corp. Water management system for solid polymer electrolyte fuel cell power plants
US5660048A (en) * 1996-02-16 1997-08-26 Laroche Industries, Inc. Air conditioning system for cooling warm moisture-laden air
US5759712A (en) * 1997-01-06 1998-06-02 Hockaday; Robert G. Surface replica fuel cell for micro fuel cell electrical power pack
US6106964A (en) * 1997-06-30 2000-08-22 Ballard Power Systems Inc. Solid polymer fuel cell system and method for humidifying and adjusting the temperature of a reactant stream
US6013385A (en) * 1997-07-25 2000-01-11 Emprise Corporation Fuel cell gas management system
DE19902219C1 (de) * 1999-01-21 2000-06-08 Daimler Chrysler Ag Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012018164A1 (de) * 2012-09-14 2014-03-20 Forschungszentrum Jülich GmbH Verfahren zum Betreiben eines Wasserdampf benötigenden Teilprozesses in einem Gesamtprozess

Also Published As

Publication number Publication date
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