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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen-Kraftanlagen,
die in etwa bei Umgebungsdruckwerten arbeiten und die zur Verwendung in
Transportfahrzeugen, als tragbare Kraftanlagen oder als stationäre Kraftanlagen
geeignet sind, und die Erfindung betrifft im Spezielleren eine Brennstoffzellen-Kraftanlage,
die die Anlage verlassende Masse, wie z.B. Wasserdampf, in die Anlage
zurückbefördert, um
das Wassergleichgewicht und die Energieeffizienz der Anlage zu steigern.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen-Kraftanlagen
sind allgemein bekannt und werden zur Erzeugung von elektrischer
Energie aus reduzierenden und oxidierenden Fluiden häufig verwendet,
um elektrische Vorrichtungen, wie z.B. Vorrichtungen an Board von
Raumfahrzeugen, zu betreiben. In solchen Kraftanlagen ist typischerweise
eine Mehrzahl planarer Brennstoffzellen in einem Stapel angeordnet,
der von einer elektrisch isolierenden Rahmenkonstruktion umgeben
ist, die Verzweigungseinrichtungen zum Leiten der Strömung von
Reduktions-, Oxidations-, Kühlmittel- und Produktfluiden
bildet. Jede einzelne Zelle beinhaltet allgemein eine Anodenelektrode
und eine Kathodenelektrode, die durch einen Elektrolyten getrennt
sind. Ein Reaktant oder Reduktionsfluid, wie z.B. Wasserstoff, wird
der Anodenelektrode zugeführt,
und ein Oxidationsmittel, wie z.B. Sauerstoff oder Luft, wird der
Kathodenelektrode zugeführt.
In einer Zelle, die eine Protonenaustauschmembran als Elektrolyten verwendet,
reagiert der Wasserstoff elektrochemisch an einer Oberfläche eines
Anodenkatalysators, um Wasserstoffionen und Elektronen zu erzeugen.
Die Elektronen werden zu einem externen Lastkreis geleitet und dann
zu der Kathodenelektrode zurückgeführt, während der
Wasserstoffionentransfer durch den Elektrolyten zu der Kathodenelektrode,
erfolgt, wo die Wasserstoffionen mit dem Oxidationsmittel und den
Elektronen reagieren, um Wasser zu erzeugen und Wärmeenergie
freizusetzen.
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Die
Anoden- und Kathodenelektroden solcher Brennstoffzellen sind durch
verschiedene Typen von Elektrolyten getrennt, wobei dies von den
Betriebserfordernissen und Einschränkungen der Arbeitsumgebung
der Brennstoffzelle abhängig
ist. Ein solcher Elektrolyt ist ein Protonenaustauschmembran-Elektrolyt
(PEM-Elektrolyt),
der aus einem Festpolymer besteht, wie dies in der Technik allgemein bekannt
ist. Weitere übliche
Elektrolyten, die in Brennstoffzellen verwendet werden, beinhalten Phosphorsäure oder
Kaliumhydroxid, das in einer porösen,
nicht-leitfähigen Matrix
zwischen der Anoden- und der Kathodenelektrode gehalten ist. Es
hat sich herausgestellt, dass PEM-Zellen wesentliche Vorteile gegenüber Zellen
mit Flüssigsäure- oder
alkalischen Elektrolyten hinsichtlich der Erfüllung bestimmter Betriebsparameter
haben, da die Membran der PEM-Zelle eine Barriere zwischen dem Reduktionsfluid
und dem Oxidationsmittel schafft, die hinsichtlich Druckunterschieden
toleranter ist als ein Flüssigelektrolyt,
der durch Kapillarkräfte
in einer porösen
Matrix gehalten ist. Außerdem
ist der PEM-Elektrolyt fixiert und kann nicht aus der Zelle herausgelöst werden, und
die Membran besitzt eine relativ stabile Kapazität für die Wasserrückhaltung.
Wie jedoch allgemein bekannt ist, haben PEM-Zellen signifikante
Einschränkungen
insbesondere in Verbindung mit dem Flüssigwassertransport zu, durch
sowie von der PEM weg sowie in Verbindung mit dem gleichzeitigen
Transport von gasförmigen
Reduktions- und Oxidationsmittelfluiden zu den Elektroden, die gegenüberliegenden Oberflächen der
PEM benachbart sind, hin sowie von diesen weg. Der Stand der Technik
beinhaltet vielerlei Bemühungen
zum Minimieren des Effekts dieser Einschränkungen.
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Beim
Betrieb einer Brennstoffzelle, die eine PEM verwendet, ist die Membran
mit Wasser gesättigt,
und die der Membran benachbarte Anodenelektrode muss feucht bleiben.
Während
an der Anodenelektrode erzeugte Wasserstoffionen durch den Elektrolyten
hindurch übertragen
werden, nehmen sie Wassermoleküle
von der Anode zu der Kathode mit sich mit. Ein Wassertransfer findet
auch durch Osmose von der Kathode zu der Anode zurück statt.
An der Kathodenelektrode erzeugtes Produktwasser wird durch Verdunstung
oder Mitnahme in einem umlaufenden gasförmigen Oxidationsmittelstrom
oder durch Kapillarwirkung in eine der Kathode benachbarte poröse Fluidtransportschicht
hinein und durch diese hindurch entfernt. Poröse Wassertransportplatten führen Flüssigwasser
von einem Vorrat an Kühlwasser
zu der Anodenelektrode und entfernen Wasser von der Kathodenelektrode
und führen
dieses zu dem Kühlwasservorrat
zurück,
so dass die Platten somit auch zum Abführen von Wärme von dem Elektrolyten und
den Elektroden dienen.
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Beim
Betrieb von PEM-Brennstoffzellen ist es von kritischer Bedeutung,
dass ein geeignetes Wassergleichgewicht zwischen einer Rate, mit
der Wasser an der Kathodenelektrode erzeugt wird, sowie der Rate,
mit der Wasser von der Kathode abgeführt wird, und der Rate, mit
der Wasser der Anodenelektrode zugeführt wird, aufrechterhalten
bleibt. Eine Betriebsgrenze hinsichtlich der Leistung einer Brennstoffzelle
ist definiert durch die Fähigkeit
der Zelle zum Aufrechterhalten des Wassergleichgewichts, wenn der
von der Zelle in den externen Lastkreis abgeführte elektrische Strom variiert
und die Betriebsumgebung der Zelle variiert. Wenn bei PEM-Brennstoffzellen
eine unzulängliche
Menge an Wasser zu der Anodenelektrode zurückgeführt wird, trocknen benachbarte
Bereiche des PEM-Elektrolyten aus, wodurch sich die Rate vermindert,
mit der Wasserstoffionen durch die PEM transferiert werden können, wobei
dies auch zu einem Übergehen
des Reduktionsfluids führt,
was wiederum zu einer lokalen Überhitzung
führt.
In ähnlicher
Weise kann es bei einer unzulänglichen
Abfuhr von Wasser von der Kathode zu einem Überfluten der Kathodenelektrode kommen,
wodurch die Oxidationsmittelzufuhr zu der Kathode effektiv begrenzt
wird und somit der Stromfluss vermindert wird. Wenn durch den gasförmigen Oxidationsmittelstrom
zu viel Wasser von der Kathode abgeführt wird, kann die Kathode
ferner austrocknen, wodurch die Fähigkeit der Wasserstoffionen
für den
Durchtritt durch die PEM begrenzt wird und dadurch wiederum die
Zellenleistung vermindert wird.
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Da
Brennstoffzellen in Kraftanlagen integriert worden sind, die für motorisch
betriebene Transportfahrzeuge, wie z.B. Kraftfahrzeugen, Lastwagen, Busse,
usw., entwickelt wurden, ist die Aufrechterhaltung eines effizienten
Wassergleichgewichts in der Kraftanlage aufgrund vieler verschiedener
Faktoren zu einer größeren Herausforderung
geworden. Zum Beispiel kann bei einer stationären Brennstoffzellen-Kraftanlage
aus der Anlage verloren gegangenes Wasser durch Wasser ersetzt werden,
das der Anlage von außerhalb
der Anlage gelegenen Quellen zugeführt wird. Bei einem Transportfahrzeug
jedoch muss die Anlage zur Minimierung der Gewichts- und Platzerfordernisse
einer Brennstoffzellen-Kraftanlage unabhängig hinsichtlich des Wassers
sein, um "lebensfähig" zu sein. Unabhängigkeit
hinsichtlich des Wassers bedeutet, dass in der Anlage genug Wasser rückgehalten
werden muss, um Wasserverluste aus einem Reaktionsmittelfluidstrom
zu kompensieren, um die Anlage in effizienter Weise zu betreiben.
Zum Beispiel muss jegliches Wasser, das die Anlage durch einen Anlagenaustrittsstrom
verlässt,
der aus einem Kathodenaustrittsstrom gasförmigen Oxidationsmittels und/oder
aus einem Anodenaustrittsstrom gasförmigen Reduktionsfluids besteht,
durch Wasser kompensiert werden, das elektrochemisch an der Kathode
erzeugt wird und innerhalb der Anlage rückgehalten wird.
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Ein
Weg zum Verbessern des Wassergleichgewichts für Brennstoffzellen-Kraftanlagen
bei Transportfahrzeugen besteht darin, die Zelle sowie zugehörige Komponenten
mit Druck zu beaufschlagen, um die Reaktionsstoffkonzentrationen
in gasförmigen
Strömen
mit höherem
Druck zu steigern und dadurch den Wasserverlust durch Anlagenaustrittsströme zu vermindern.
Solche mit Druck beaufschlagten Brennstoffzellen-Kraftanlagen verursachen
jedoch zusätzliche
Kosten, zusätzliches
Gewicht sowie Steuervorrichtungen beim Schaffen von geeigneten Druckgehäusen und
-steuerungen, und mit Druck beaufschlagte Anlagen erfordern zusätzliche
Energie, die von der Anlage hergeleitet wird, um Druckbeaufschlagungspumpen,
Ventile, Gebläse
usw. zu betreiben, wobei nicht bekannt ist, dass solche Anlagen
für tragbare
Kraftanlagen praktikabel sind.
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Ein
weiterer üblicher
Weg zum Verbessern des Wassergleichgewichts besteht in der Verwendung
von kondensierenden Wärmetauschern
stromabwärts
von den Kraftanlagenaustrittsströmen,
wobei die Austrittsströme
auf eine Temperatur bei oder unterhalb ihres Taupunktes gekühlt werden,
um Flüssigkeit
aus den Austrittsströmen
abzuscheiden, so dass die Flüssigkeit
zu der Kraftanlage zurückgeführt werden
kann. Ein Beispiel einer PEM-Brennstoffzellen-Kraftanlage, die einen
kondensierenden Wärmetauscher
verwendet, ist in dem US-Patent Nr. 5,573,866 beschrieben, das am
12. November 1996 für
Van Dine et al. erteilt wurde und auf den Begünstigten der vorliegenden Erfindung übertragen
wurde. In der Technik sind viele andere Brennstoffzellen-Kraftanlagen
allgemein bekannt, die einen oder mehrere kondensierende Wärmetauscher
verwenden, wobei diese typischerweise Umgebungsluftströme als Kühlfluid
verwenden, die den Wärmetauscher durchströmen, um
die Austrittsströme
der Anlage zu kühlen.
Bei Van Dine et al. wird der Wärmetauscher zum
Kühlen
eines Austrittsstroms verwendet, der eine Kathodenkammer verlässt, in
der die Kathodenelektrode untergebracht ist.
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Vor
dem Eintritt in das Kathodengehäuse
liefert eben dieser Strom Luft als Oxidationsmittel für die Kathodenelektrode,
und beim Verlassen der Kammer beinhaltet der Strom verdunstetes
Produktwasser sowie einen gewissen Anteil Methanol, dem Reduktionsfluid,
das die PEM durchströmt
hat. Der kondensierende Wärmetauscher
leitet den Kathodenaustrittsstrom in Wärmetauschbeziehung zu einem
Strom kühlender
Umgebungsluft und lenkt dann kondensiertes Methanol und Wasser indirekt
durch ein Rohrsystem zurück
zu einer Anodenseite der Zelle.
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Während kondensierende
Wärmetauscher das
Wassergleichgewicht und die Energieeffizienz von mit Umgebungsdruck
arbeitenden sowie von mit Druck beaufschlagten Brennstoffzellen-Kraftanlagen verbessert
haben, sind die Wärmetauscher
bei steigenden Umgebungstemperaturen mit einer sinkenden Wasserrückgewinnungseffizienz
konfrontiert. Wenn die Kraftanlage zum Betreiben eines Transportfahrzeugs,
wie z.B. eines Pkw, verwendet werden soll, ist die Anlage einem
extrem großen
Bereich von Umgebungstemperaturen ausgesetzt. Wenn z.B. ein Umgebungsluft-Kühlmittelstrom
einen Wärmetauscher
durchläuft, ändert sich
die Leistung des Wärmetauschers
als direkte Funktion der Temperatur der Umgebungsluft, da bei steigender
Temperatur der Umgebungsluft geringere Mengen an Flüssigkeit aus
den Kraftanlagen-Austrittsströmen
ausgeschieden werden.
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Eine
weitere Komplikation von bekannten Brennstoffzellen-Kraftanlagen,
die für
die Verwendung in Transportfahrzeugen konzipiert sind, besteht auch
in Verbindung mit Schwankungen in den Umgebungsluftbedingungen.
Brennstoffzellen solcher Anlagen verwenden typischerweise die Umgebungsluft als
Oxidationsmittel, das zu der Kathodenelektrode geleitet wird. Heiße und trockene
Umgebungsluft steigert das Risiko, dass die Kathodenelektrode austrocknet.
Aus diesem Grund sind viele Bestrebungen unternommen worden, um
das Austrocknen der Kathodenelektrode sowie des benachbarten Elektrolyten
insbesondere in PEM-Brennstoffzellen zu verhindern; diese Bestrebungen
beinhalten das Leiten von flüssigem
Kondensat von kondensierenden Wärmetauschern
zu Stellen für
die Befeuchtung von gasförmigen
Reaktionsstoff- und Oxidationsmittelströmen, die in die Zelle eintreten;
das Hinzufügen
von porösen
Abstützschichten
und Wassertransportplatten in Fluidverbindung mit den Elektroden
für die
Bewegung von Kühlwasser
durch einander benachbarte Zellen; sowie die Erzeugung einer Druckdifferenz
auf der Anodenseite der Zelle, wobei gasförmige Reduktionsfluide auf
einem etwas höheren
Druck gehalten werden als Kühlwasser
und Anodenversorgungswasser, das durch die porösen Abstützschichten angrenzend an Reduktionsgas-Verteilungskanäle hindurchströmt, so dass
der Druckunterschied den Wassertransport durch die porösen Abstützschichten
und die Zelle unterstützt.
Derartige Bestrebungen zum Aufrechterhalten eines effizienten Wassergleichgewichts
sind mit zusätzlichen
Kosten, zusätzlichem Gewicht
und Volumen verbunden und machen häufig komplizierte Steuervorrichtungen
erforderlich.
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Bekannte
mit Druck beaufschlagte Anlagen sowie Anlagen, die Umgebungsluft
als Kathodenoxidationsmittel verwenden oder die Umgebungsluft für kondensierende
Wärmetauscher
verwenden, sind somit aufgrund ihrer vorstehend beschriebenen Eigenschaften
nicht in der Lage, ein effizientes Wassergleichgewicht zu maximieren
und ihre Energieerfordernisse im Betrieb zu minimieren. Aus diesem Grund
ist es äußerst wünschenswert,
eine Brennstoffzellen-Kraftanlage zu schaffen, die ein effizientes Wassergleichgewicht
für die
gesamte Anlage erreicht und die Energieerfordernisse für den Betrieb
der Anlage minimiert.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Offenbart
ist eine Massentransfer-Verbundmembran zur Verwendung bei einer
Brennstoffzellen-Kraftanlage. Die Massentransfer-Verbundmembran
beinhaltet einen Transfermediumkern zwischen gegenüberliegenden
starren porösen
Abstützflächenkörpern, wobei
eine Eintrittsfläche
der Verbundmembran in Berührung
mit einem Oxidationsmitteleintrittsstrom einer Brennstoffzellen-Kraftanlage
positioniert ist und eine entgegengesetzte Austrittsfläche der
Verbundmembran in Berührung
mit einem die Brennstoffzellen-Kraftanlage verlassenden Austrittsstrom
positioniert ist. Der Transfermediumkern kann ein beliebiges Material
aus einer Vielzahl verschiedener Materialien zum Sorbieren einer
Fluidsubstanz, die aus polaren Molekülen, wie z.B. Wassermolekülen besteht,
aus einem Fluidstrom aufweisen, der aus polaren und nicht-polaren
Molekülen
besteht. Bei einem bevorzugten Transfermediumkern handelt es sich
um eine ionomere Membran, wie z.B. Wasser-gesättigte Polyfluor-Schwefelsäure-Ionomer-Membran.
Die porösen
Abstützflächenkörper können ein
verstärkendes
Fasermaterial mit einem aushärtenden
Harzmaterial aufweisen, wie z.B. einen Kohlenstoff-Flächenkörper mit
einem Phenolharz oder ein Glasfasermaterial mit einem Epoxyharz,
wobei die Flächenkörper zu
einer starren Konfiguration aushärten.
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Massentransfer-Verbundmembranen
sind aus der
US 4,954,388
A und der WO 97/41168 A bekannt.
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Die
Massentransfer-Verbundmembran ist in einer Rahmeneinrichtung einer
Massentransfervorrichtung in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellen-Kraftanlagen-Eintritts- und Austrittsstrom
angeordnet, so dass die Rahmeneinrichtung ein volumenmäßiges Mischen
des Eintritts- und des Austrittsstroms einschränkt. Die Rahmeneinrichtung
kann Verzweigungseinrichtungen, Passagen und Dichtungen vorsehen;
um den Eintrittsstrom und den Austrittsstrom in Berührung mit
der Verbundmembran zu leiten sowie aus der Rahmeneinrichtung auszuleiten. Alternativ
hierzu können
die Verzweigungseinrichtungen außerhalb von der Rahmeneinrichtung
vorgesehen sein. Bei der Massentransfer-Verbundmembran kann es sich
um eine flache Schicht oder um eine Buckelschicht handeln, die Erhebungen
und Vertiefungen bildet. Eine Mehrzahl der Buckelschicht-Membranen
kann im Inneren der Rahmeneinrichtung in spiegelbildlicher Zuordnung
angeordnet sein, so dass Erhebungen und Vertiefungen, die durch
die Buckel einander benachbarter Membranen gebildet sind, miteinander
in Berührung
stehen. Bei einer solchen spiegelbildlichen Zuordnung wirken die
Buckelschicht-Massentransfer-Verbundmembranen
zusammen, und zwar zur Schaffung einer gegenseitigen strukturellen
Abstützung,
zum Verbessern des Mischens der Fluide, die durch Passagen zwischen
einander benachbarten Buckeleinrichtungen hindurch geleitet werden,
sowie zum Vergrößern der
oberflächenmäßigen Aussetzung
der Membranen gegenüber
den Fluiden pro Volumeneinheit der Rahmeneinrichtung.
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Im
Betrieb einer Brennstoffzellen-Kraftanlage, die eine Massentransfer-Verbundmembran
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet, wird der Oxidationsmitteleintrittsstrom vor
dem Einleiten in die Brennstoffzelle in Berührung mit der Eintrittsfläche der
Verbundmembran durch die Rahmeneinrichtung hindurch geleitet, während der
Austrittsstrom in Berührung
mit der Austrittsfläche
der Membran durch die Rahmeneinrichtung hindurch geleitet wird.
Wassermoleküle
und jegliche andere polare Moleküle (wie
z.B. Methanol) in dem Austrittsstrom werden durch den Transfermediumkern
selektiv in den Eintrittsstrom übertragen,
um die Befeuchtung und Erwärmung
des Eintrittsstroms zu unterstützen
und dadurch zur Aufrechterhaltung eines Wassergleichgewichts innerhalb
der Brennstoffzelle durch Begrenzen des Wasserverlusts aus der Zelle
beizutragen.
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Ein
allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung besteht somit in der
Schaffung einer Massentransfer-Verbundmembran zur Verwendung bei
einer Brennstoffzellen-Kraftanlage, bei der Unzulänglichkeiten
von Brennstoffzellen-Kraftanlagen des Standes der Technik überwunden
sind.
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Ein
spezielleres Ziel besteht in der Schaffung einer Massentransfer-Verbundmembran
zur Verwendung in einer Massentransfervorrichtung einer Brennstoffzellen-Kraftanlage,
die Wärme,
Wasser und Brennstoff von einem Anlagenaustrittsstrom in einen Anlageneintrittsstrom
unabhängig
von Umgebungsluftbedingungen überträgt.
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Noch
ein weiteres Ziel besteht in der Schaffung einer Massentransfer-Verbundmembran
zur Verwendung in einer Massentransfervorrichtung einer Brennstoffzellen-Kraftanlage,
bei der beträchtliche
Druckschwankungen innerhalb der Vorrichtung tolerierbar sind.
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Diese
und weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
bei Lektüre
der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Begleitzeichnungen
noch besser verständlich.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHUNGEN
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Massentransfer-Verbundmembran
der vorliegenden Erfindung innerhalb einer Massentransfervorrichtung
einer Brennstoffzellen-Kraftanlage.
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2A zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
einer Massentransfer-Verbundmembran gemäß der vorliegenden Erfindung.
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2B zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels
einer Massentransfer-Verbundmembran gemäß der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung einer in Form einer Buckelschicht
ausgebildeten Ausführungsform
einer Massentransfer-Verbundmembran der vorliegenden Erfindung,
wobei die Membran an einer Rahmenschulter abgestützt dargestellt ist.
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4 zeigt
eine fragmentarische Perspektivansicht der Buckelschicht-Massentransfer-Verbundmembran
und der Rahmenschulter gemäß 3.
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5 zeigt
eine schematische seitliche Schnittdarstellung entlang der Sichtlinie
5-5 der 6 einer Mehrzahl von Buckelschicht-Massentransfer-Verbundmembranen,
die in spiegelbildlicher Anordnung innerhalb einer Rahmenkonstruktion
gehaltert sind.
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6 zeigt
eine schematische, im Schnitt dargestellte Draufsicht von oben auf
eine Rahmenkonstruktion für
ein Massentransfervorrichtungsgehäuse, das eine Mehrzahl von
Buckelschicht-Massentransfer-Verbundmembranen aufweist.
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BESTE ART
UND WEISE ZUM AUSFÜHREN
DER ERFINDUNG
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Unter
ausführlicher
Bezugnahme auf die Zeichnungen ist in 1 eine Brennstoffzellen-Kraftanlage
schematisch dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet,
wobei es sich hierbei um eine geeignete Arbeitsumgebung für eine Massentransfer-Verbundmembran 12 gemäß der vorliegenden
Erfindung handelt. Die Kraftanlage 10 beinhaltet mindestens
eine Brennstoffzelle 13 und eine Massentransfervorrichtung 14,
die die Membran 12 abstützt.
Die Brennstoffzelle 13 beinhaltet einen Elektrolyten 16,
wie z.B. eine Protonenaustauschmembran (PEM) oder einen Säure- oder
Basen-Elektrolyten mit einer ersten Hauptfläche 18 und einer gegenüberliegenden,
zweiten Hauptfläche 20;
eine Anodenelektrode 22, die von einer porösen Anodenabstützschicht 24 in
inniger Berührung
mit der ersten Hauptfläche 18 des
Elektrolyten 16 gehaltert ist; und eine Kathodenelektrode 26,
die von einer porösen Kathodenabstützschicht 28 in
inniger Berührung
mit der zweiten Hauptfläche 20 des
Elektrolyten 16 gehaltert ist. Die poröse Anoden- und Kathodenabstützschicht 24, 28 können aus
porösen
oder mit Kanälen versehenen
Graphit-, Kohlenstoff- oder Metall-Flächenkörpern gebildet sein. Die Brennstoffzelle 13 kann
mit anderen praktisch identischen Brennstoffzellen (nicht gezeigt)
in allgemein bekannter Weise kombiniert werden, um einen Stapel
zu bilden. Wie in der Technik üblich
ist, kann die Brennstoffzelle 13 von einer Konstruktion 30 umschlossen
sein, die Verzweigungseinrichtungen bildet, um Ströme von Reduktionsfluiden
und Oxidationsmitteln in die Zelle hinein und aus dieser heraus
zu leiten, wobei die Konstruktion 30 auch elektrische Leitungseinrichtungen beinhaltet,
um von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Strom aus der
Zelle 13 heraus zu einer Elektrizität verwendenden Vorrichtung 32 zu
leiten, wobei dies beispielsweise über einen standardmäßigen externen
Lastkreis 34 erfolgen kann.
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Ein
Oxidationsmittel- oder Eintrittsstrom, wie z.B. Luft, wird von einer
Oxidationsmittelquelle 36 in die Brennstoffzelle 13 eingeleitet,
und zwar durch eine primäre
Oxidationsmittelpassage 38, die einen Oxidationsmittelstrom
in die poröse
Kathodenabstützschicht 28 einleitet,
so dass das Oxidationsmittel in Kontakt mit der Kathodenelektrode 26 gelangt,
um der Elektrode 26 Oxidationsmittel zuzuführen und
dadurch eine elektrochemische Reaktion an der Kathodenelektrode
zu erleichtern sowie ferner durch Verdunstung und/oder Mitnahme
an der Kathodenelektrode 26 gebildetes Wasser sowie von
der Anodenelektrode 22 durch den Elektrolyten 16 hindurch
befördertes
Wasser oder jegliches in dem Oxidationsmittelstrom vorhandenes Befeuchtungswasser
in den Oxidationsmittelstrom einzuspülen. Der Oxidationsmittelstrom
tritt dann aus der Kathodenabstützschicht 28 als
Anlagenaustritts- bzw. Anlagenabgasstrom innerhalb einer Anlagenaustrittspassage 40 aus.
Die Anlagenaustrittspassage kann auch einen Anodenaustrittsstrom
führen,
nachdem ein solcher Strom einen Hilfsbrenner (nicht gezeigt) passiert
hat. Der Anlagenabgasstrom kann somit einen Kathodenaustrittsstrom,
der aus der Kathodenabstützschicht
ausgetreten ist, oder den Anodenaustrittsstrom, der durch den Hilfsbrenner
hindurch geführt
worden ist, oder eine Kombination sowohl aus dem Kathoden- und dem
Anodenaustrittsstrom beinhalten. Ein Reduktionsfluidstrom wird von
einer Reduktionsfluid-Vorratsquelle 42 durch einen Reduktionsfluideinlass 44 in
die poröse
Anodenabstützschicht 24 geleitet,
so dass das Reduktionsfluid, bei dem es sich z.B. um Wasserstoff
handelt, mit der Anodenelektrode 22 in Berührung gelangt.
In allgemein bekannter Weise reagiert das Reduktionsfluid elektrochemisch
an der Anodenelektrode 22, um Protonen und Elektronen zu erzeugen,
wobei die Elektronen durch den externen Lastkreis 34 fließen, um
die elektrische Vorrichtung 32, bei der es sich z.B. um
Elektromotoren für
den Betrieb eines Transportfahrzeugs handelt, mit Energie zu versorgen,
während
sich die Protonen durch den Elektrolyten 16 hindurch zu
der Kathodenelektrode 26 bewegen. Die Elektronen setzen
dann ihren Weg durch den Kreis 34 fort und gelangen zu
der Kathodenelektrode, wo sie mit dem Oxidationsmittel und den Protonen
reagieren, um Wasser und Wärme zu
erzeugen.
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Die
Massentransfervorrichtung 14 ist in Fluidverbindung sowohl
mit der primären
Oxidationsmittelpassage 38 als auch mit der Anlagenaustrittspassage 40 angebracht.
Die Massentransfervorrichtung 14 beinhaltet eine Rahmeneinrichtung 46 zum
Abstützen
der Massentransfer-Verbundmembran 12 in einer Massentransferbeziehung
zu dem Oxidationsmitteleintrittsstrom und dem Anlagenaustrittsstrom sowie
zum Verhindern eines volumenmäßigen Mischens
des Eintritts- und des Austrittsstroms. Die Rahmeneinrichtung kann
die Membran 12 zwischen einer Eintrittspassage 48 des
Rahmens und einer Austrittspassage 50 des Rahmens abstützen. Die Eintrittspassage 48 leitet
den Oxidationsmittel- oder Eintrittsstrom von einer Eintrittsstrom-Zuführleitung 52 über eine
Eintrittsfläche 54 der
Massentransfer-Verbundmembran 12 sowie aus der Rahmeneinrichtung 46 hinaus
in die primäre
Oxidationsmittelpassage 38. Die Austrittspassage 50 des
Rahmens 46 leitet den Anlagenabgasstrom von der Anlagenaustrittspassage 40 über eine
Austrittsfläche 56 der Membran 12 sowie
aus der Rahmeneinrichtung 46 hinaus durch eine Anlagenaustritt-Freisetzeinrichtung 58 aus
der Anlage 10 hinaus. Die Eintritts- und die Austrittspassage 48, 50 der
Rahmeneinrichtung 46 wirken dadurch mit der Massentransfer-Verbundmembran 12 zusammen,
um ein volumenmäßiges Mischen
des Oxidationsmittel-Eintrittsstroms und des Anlagenaustrittsstroms
zu begrenzen sowie die Membran 12 in einer Massentransferbeziehung
zu dem Eintritts- und dem Austrittsstrom zu positionieren. Die Brennstoffzellen-Kraftanlage 10 kann
auch ein Gebläse 60 beinhalten,
das in der Eintrittsstrom-Zuführleitung 52 angeordnet
ist, um den Strom des gasförmigen
Oxidationsmittels in die Anlage 10 hinein in variabler
Weise zu beschleunigen. Wahl weise kann das Gebläse 60 für diese
Zwecke auch entlang der primären
Oxidationsmittelpassage 38 positioniert werden. Es ist
jedoch hervorzuheben, dass ein solches Gebläse eine Kapazität nur zum
geringfügigen
Erhöhen
der Betriebsdruckwerte des Oxidationsmittels hat, und zwar auf einen
Bereich vom Atmosphärendruck
auf ca. 6,89 kPa (1,0 psi) über
Atmosphärendruck,
oder von ca. 101,28 kPa (14,7 psia) bis ca. 108,17 kPa (15,7 psia).
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Wie
am Besten in 2A zu sehen ist, beinhaltet
die Massentransfer-Verbundmembran 12 einen Transfermediumkern 62,
der zwischen einem ersten starren, porösen Abstützflächenkörper 64 und einem
zweiten starren, porösen
Abstützflächenkörper 66 angeordnet
ist. Bei der Eintrittsfläche 54 der Verbundmembran 12 handelt
es sich um eine Außenfläche des
ersten starren porösen
Abstützflächenkörpers 64,
die einer Kontaktfläche 68 des
ersten Abstützflächenkörpers 64 entgegengesetzt
ist, die mit dem Transfermediumkern 62 in Berührung steht.
Bei der Austrittsfläche 56 der
Membran 12 handelt es sich um eine Außenfläche des zweiten Abstützflächenkörpers 66,
die einer Kontaktfläche 70 des
zweiten Abstützflächenkörpers 66 entgegengesetzt
ist, die mit dem Kern 62 in Berührung steht.
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Bei
dem Transfermediumkern 62 kann es sich um eine Transfermediumkern-Einrichtung
zum selektiven Sorbieren einer Fluidsubstanz handeln, die aus polaren
Molekülen
innerhalb eines ersten Fluidstroms besteht, der Fluidsubstanzen
aus polaren und nicht-polaren Molekülen enthält, wobei es sich z.B. um einen
Strom handelt, der Wasserdampf und/oder mitgeführte Flüssigkeitsfeuchtigkeit (bei
der es sich um eine Fluidsubstanz aus polaren Molekülen handelt)
und Luft (bei der es sich um eine Fluidsubstanz aus nicht-polaren
Molekülen
handelt) handelt, sowie zum Desorbierten des sorbierten Fluids in
einen zweiten Strom, der einen geringeren Anteil der aus polaren
Molekülen
bestehenden Fluidsubstanz als der erste Strom aufweist. Bei Verwendung
der Transfermediumkern-Einrichtung handelt es sich bei dem ersten
Strom um den Anlagenabgasstrom und bei dem zweiten Strom um den
Eintrittsstrom. Exemplarische Transfermediumkern-Einrichtungen beinhalten
ein ionomeres Material, wie z.B. eine Wasser-gesättigte Polyfluorschwefelsäure-Ionomer-Membran,
die unter der Handelsbezeichnung "NAFION" von der Firma E.I. DuPont in Willmington, Delaware,
USA, vertrieben wird.
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Bei
dem ersten und dem zweiten starren, porösen Abstützflächenkörper 64, 66 kann
es sich um starre poröse
Abstützflächenkörper-Einrichtungen zum
Abstützen
eines Transfermediumkerns in einer starren Anordnung handeln, wobei
es sich beispielsweise um einen verstärkenden Fasermaterial-Flächenkörper mit
einem integralen Duroplast handelt. Exemplarische Abstützflächenkörper beinhalten
einen Kohlenstofffaser-Flächenkörper mit
einem Phenolharz oder einen Glasfaser-Flächenkörper mit einem Epoxyharz.
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Wie
in 2B gezeigt ist, beinhaltet die Massentransfer-Verbundmembran 12 eine
alternative Ausführungsform
der Transfermediumkern-Einrichtung, die im Folgenden als Dreilagenkern 72 bezeichnet
wird, wobei der Kern 72 zwischen einer ersten porösen hydrophoben
Schicht 74 und einer zweiten porösen hydrophoben Schicht 76 angeordnet
ist. Exemplarische poröse
hydrophobe Schichten 72, 74 beinhalten Flächenkörper aus
einem hydrophoben Polymer, wie z.B. den allgemein bekannten "TEFLON"-Polymeren, die von
der DuPont Company in Willmington, Delaware, USA, vertrieben werden.
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Die
Massentransfer-Verbundmembran 12 kann in Form einer Buckelschicht 78 ausgebildet sein,
wie dies am Besten in den 3 und 4 gezeigt
ist, um dadurch viele Vorteile zu erzielen, die im Folgenden erläutert werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die Buckelschicht-Verbundmembran 78 zwischen einer
ersten Rahmenschulter 80 und einer zweiten Rahmenschulter 82 über einer Bodenfläche 84 der
Rahmeneinrichtung 46 angebracht. Die erste Rahmenschulter 80 beinhaltet
eine erste Schulter oder einen ersten Rand 86, und die zweite
Rahmenschulter 82 beinhaltet eine zweite Schulter 88,
so dass die Membran 78 an der ersten und der zweiten Schulter 86, 88 befestigt
ist und sich zwischen diesen erstreckt. Die erste Rahmenschulter 80 definiert
einen ersten Eintrittsstromschlitz 90 und die zweite Rahmenschulter 82 definiert
einen zweiten Eintrittsstromschlitz 92, die die Strömung des
Oxidationsmittel-Eintrittsstroms in sowie außer Berührung mit einer Eintrittsfläche 94 der
Buckelschicht-Verbundmembran 78 ermöglichen.
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Wie
am Besten in 3 zu sehen ist, bildet die Buckelschicht-Verbundmembran 78 erste,
zweite und dritte Erhebungen 96A, 96B, 96C sowie
erste, zweite, dritte und vierte Vertiefungen 98A, 98B, 98C, 98D,
die zum Bilden einer Mehrzahl von Eintrittsstrompassagen und Austrittsstrompassagen
zusammenwirken. Zum einfacheren Verständnis und zur Verdeutlichung
sind die Eintrittsstrompassagen in den 3 und 5 mit
den Bezugsbuchstaben „IS" bezeichnet und die
Austrittsstrompassagen sind mit den Bezugsbuchstaben „ES" bezeichnet. Die
Austrittsstrompassagen ES ermöglichen
dem Brennstoffzellen-Anlagenaustrittsstrom, mit einer Austrittsfläche 100 der
Buckelschicht-Verbundmembran in Kontakt zu treten. Repräsentative
exemplarische Eintrittsstrompassagen, die in den 3, 4 und 5 zu
sehen sind, sind ebenfalls mit Bezugszeichen 102A, 102B, 102C, 102D bezeichnet,
und exemplarische Austrittsstrompassagen, die in den 3, 4 und 5 zu
sehen sind, sind gleichermaßen
mit Bezugszeichen 104A, 104B und 104C bezeichnet,
um das Verständnis
zu erleichtern.
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4 zeigt
eine von oben gesehene Perspektivansicht eines Teils der Buckelschicht-Massentransfer-Verbundmembran 78 gemäß 3,
die zwischen der ersten und der zweiten Rahmenschulter 80, 82 abgestützt ist
und die eine "Eierkarton-artige" Formgebung der Erhebungen
und der Vertiefungen in einer Schnittdarstellung der Membran 78 im
Gegensatz zu der nur von der Seite gesehenen Schnittdarstellung
der 3 zeigt. Praktisch identische zusätzliche
Erhebungen der Buckelschicht-Verbundmembran 78 sind in 4 dargestellt
und mit 96D, 96E, 96F, 96G, 96H, 96I, 96J, 96K, 96L, 96M bezeichnet,
und praktisch identische Vertiefungen sind zum Teil diesen Erhebungen
benachbart dargestellt, jedoch aus Gründen der Klarheit nicht einzeln
mit Bezugszeichen bezeichnet. In 4 ist in
deutlicherer Weise zu erkennen, dass die Eintrittsstrompassagen 102A, 102B, 102C, 102D in
integraler Weise mit einem Netzwerk nicht-linearer Eintrittsstrompassagen ausgebildet
sind, die mit der Eintrittsfläche 94 der Membran 78 in
Berührung
stehen, und dass in ähnlicher
Weise die Austrittsstrompassagen 104A, 104B, 104C in
integraler Weise mit einem Netzwerk nicht-linearer Austrittsstrompassagen
ausgebildet sind, die mit der entgegengesetzten Austrittsfläche 100 der Membran 78 in
Berührung
stehen. Es ist hervorzuheben, dass entsprechend der Darstellung
in 4 jegliche zusätzlichen
Erhebungen und Vertiefungen der Buckelschicht-Verbundmembran 78 nicht
in einer linearen oder parallelen Reihenausrichtung vorliegen müssen, sondern
stattdessen in einer beliebigen Anordnung vorgesehen sein können, um
das Mischen der Eintritts- und der Austrittsstromfluide zu verbessern,
die innerhalb der durch die Membran gebildeten Pas sagen strömen. Ferner
scheinen die in dem Ausführungsbeispiel
der 3 und 4 dargestellten Vertiefungen
und Erhebungen in etwa ähnliche
Abmessungen aufzuweisen, jedoch können für die vorliegende Erfindung
die Erhebungen und die Vertiefungen jede beliebige Abmessung aufweisen,
die für eine
Erweiterung unterhalb und/oder oberhalb einer Ebene sorgt, die von
der Buckelschicht-Verbundmembran 78 gebildet ist.
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5 zeigt
die Massentransfer-Verbundmembran 12 in einer Ausführung mit
einer Mehrzahl von Buckelschicht-Verbundmembranen; diese beinhalten
die Buckelschicht-Verbundmembran 78 sowie die erste und
die zweite Rahmenschulter 80, 82 der 3 und 4 in
einer gestapelten oder spiegelbildlichen Zuordnung zu einer zweiten
Buckelschicht-Verbundmembran 106; sowie eine dritte Buckelschicht-Verbundmembran 108,
die in ähnlicher spiegelbildlicher
Zuordnung sowohl zu der zweiten Membran 106 sowie einer
vierten Buckelschicht-Verbundmembran 110 gestapelt ist.
Die zweite Buckelschicht-Verbundmembran 106 ist zwischen
einer dritten Rahmenschulter 112 und einer vierten Rahmenschulter 114 abgestützt; die
dritte Membran 108 ist zwischen einer fünften Rahmenschulter 116 und
einer sechsten Rahmenschulter 118 abgestützt; und die
vierte Membran 110 ist zwischen einer siebten Rahmenschulter 120 und
einer achten Rahmenschulter 122 abgestützt, wobei die acht Rahmenschultern
in zusammenwirkender Weise aufeinander gestapelt sind, um Fluidabdichtungsseiten
der Rahmeneinrichtung 46 zwischen der Bodenfläche 84 der Rahmeneinrichtung
und einer oberen Oberfläche 124 der
Rahmeneinrichtung 46 zu bilden, wie dies in 5 gezeigt
ist. Unter der Ausdrucksweise "in
spiegelbildlicher Zuordnung angeordnet" ist zu verstehen, dass mindestens eine
Erhebung einer Buckelschicht-Verbundmembran mit mindestens einer
Vertiefung einer benachbarten Buckelschicht-Verbundmembran in Kontakt
steht. Wie z.B. in 5 gezeigt ist, steht die erste
Erhebung 96A der Buckelschicht-Verbundmembran 78 mit
einer ersten Vertiefung 134 der zweiten Buckelschicht-Verbundmembran 106 in
Berührung.
Wie zu erkennen ist, kommt es aufgrund der Ausbildung einer Vielzahl
von Berührungsstellen
zwischen Erhebungen und Vertiefungen einander benachbarter Buckelschichten,
wie dies in 5 gezeigt ist, zu einem Zusammenwirken
der Schichten miteinander, um dadurch eine gegenseitige strukturelle
Halterung gegen Bewegung oder Bruch zu schaffen, wie dies aus internen
Druckschwankungen zwischen den Fluiden in den Eintrittsstrompassagen "IS" und den Fluiden
in den Austrittsstrompassagen "ES" resultiert. Ein
zusätzlicher
Kontakt von einander benachbarten Buckeln und Vertiefungen führt zur
Bildung einer Mehrzahl integraler, serpentinenartiger Passagen für das Hindurchströmen der
Fluide, so dass sowohl das Mischen der Fluide verbessert wird und
auch die Aussetzung der Fluide gegenüber den Oberflächen der
Membranen gesteigert wird. Die zusammenwirkende spiegelbildliche
Zuordnung der gestapelten, einander benachbarten Buckelschicht-Verbundmembranen 78, 106, 108, 110 innerhalb
der Rahmeneinrichtung 46 steigert ferner die oberflächenmäßige Aussetzung
der Membranen gegenüber
den Eintritts- und Austrittsströmen
pro Volumeneinheit der Rahmeneinrichtung.
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Die
erste; dritte, fünfte
und siebte Rahmenschulter 80, 112, 116, 120 bilden
in zusammenwirkender Weise eine erste Eintrittsstromverzweigungseinrichtung 126,
die in Fluidverbindung mit dem ersten Eintrittsstromschlitz 190 und
einem dritten Eintrittsstromschlitz 128 steht, der in der
fünften
Rahmenschulter 116 ausgebildet ist. In ähnlicher Weise bilden die zweite,
vierte, sechste und achte Rahmenschulter 82, 114, 118, 122 in
zusammenwirkender Weise eine zweite Eintrittsstromverzweigungseinrichtung 130,
die in Fluidverbindung mit dem zweiten Eintrittsstromschlitz 92 und
einem vierten Eintrittsstromschlitz 132 in der sechsten
Rahmenschulter 116 steht.
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Wie
am Besten in 5 zu sehen ist, bilden die erste
und die zweite Eintrittsstromverzweigungseinrichtung 126, 130 somit
eine Passage, durch die der Eintrittsoxidationsmittelstrom in die
Eintrittsstrompassagen 102A, 102B, 102C, 102D sowie
andere in 5 dargestellte und mit den Buchstaben "IS" bezeichnete Eintrittsstrompassagen
eingeleitet und aus diesen ausgeleitet werden kann. Es ist darauf
hinzuweisen, dass die erste und die zweite Eintrittsstromverzweigungseinrichtung 126, 130 und
die zugehörigen
Eintrittsstromschlitze 90, 92, 128, 132 nur
eine Ausführungsform
der Rahmeneinrichtung 46 der vorliegenden Erfindung darstellen,
und dass die Rahmeneinrichtung ebenso gut auch Verzweigungseinrichtungen
zum Leiten des Eintrittsoxidationsmittelstroms in und außer Berührung mit
der Eintrittsfläche 54 der
Massentransfer-Verbundmembran 12 sowie zum Leiten des Anlagenaustrittsstroms
in sowie außer
Berührung
mit der Austrittsfläche 56 der
Membran 12 beinhalten kann, wie z.B. die interne und externe
Verzweigungseinrichtung gemäß US-Patent
Nr. 4,728,585, erteilt für
Briggs am 01. März
1988, sowie gemäß US-Patent
Nr. 4,743,518, erteilt für
Romanowski am 10. Mai 1988, wobei beide dieser Patente auf den Begünstigten
der vorliegenden Erfindung übertragen
worden sind, wobei auch solche Verzweigungseinrichtungen verwendet
werden können,
wie sie in der Wärmetauschertechnik
allgemein bekannt sind.
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6 zeigt
eine schematische, fragmentarische Darstellung der Rahmeneinrichtung 46 gesehen
von einer Draufsicht von oben, wobei die erste Eintrittsstromverzweigungseinrichtung 126 in
Fluidverbindung mit einer ersten Mehrzahl praktisch identischer
Eintrittsstromschlitze innerhalb einer strömungsaufwärtigen Eintrittsseite 136 der
Rahmeneinrichtung 46 dargestellt ist, von denen drei mit
den Bezugszeichen 138A, 138B, 138C bezeichnet
sind, und wobei die zweite Eintrittsstromverzweigungseinrichtung 130 in
Fluidverbindung mit einer zweiten Mehrzahl praktisch identischer
Eintrittsstromschlitze innerhalb einer strömungsabwärtigen Eintrittsseite 140 der
Rahmeneinrichtung 46 dargestellt ist, von denen drei mit
den Bezugszeichen 142A, 142B, 142C bezeichnet
sind. 6 zeigt auch eine erste Austrittsstromverzweigungseinrichtung 144 an
einer strömungsaufwärtigen Seite 146 der
Rahmeneinrichtung 46 in Fluidverbindung mit einer ersten
Mehrzahl praktisch identischer Austrittsstromschlitze, von denen drei
mit den Bezugszeichen 148A, 148B, 148C bezeichnet
sind, sowie eine zweite Austrittsstromverzweigungseinrichtung 150 an
einer strömungsabwärtigen Austrittsseite 152 der
Rahmeneinrichtung 46 in Fluidverbindung mit einer zweiten
Mehrzahl von praktisch identischen Austrittsstromschlitzen, von
denen drei mit den Bezugszeichen 154A, 154B, 154C bezeichnet
sind.
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Im
Betrieb der Brennstoffzellen-Kraftanlage 10, die Buckelschicht-Massentransfer-Verbundmembranen 78, 106, 108, 110 gemäß der vorliegenden Erfindung
in in der Rahmeneinrichtung 46 gehalterter Weise aufweist,
wie dies in den 1, 5 und 6 gezeigt
ist, strömt
der Oxidationsmitteleintrittsstrom von der Oxidationsmittelquelle 36 durch
die Eintrittsstrom-Zuführleitung 52 hindurch
in die erste Eintrittsstromverzweigungseinrichtung 126 und
wird durch den ersten und den dritten Eintrittsstromschlitz 90, 128 sowie
durch die erste Mehrzahl der Eintrittsstromschlitze 138A, 138B, 138C in
die Eintrittsstrompassagen 102A, 102B, 102C, 102D sowie
weitere derartige Passagen verteilt, die in 5 mit "IS" bezeichnet sind.
Der Oxidationsmitteleintrittsstrom durchströmt die Rahmeneinrichtung 46 dann
in einer allgemeinen Richtung, die mit einem ersten Strömungspfeil 156 dargestellt
ist, und tritt aus den Eintrittsstrompassagen durch den zweiten
und den vierten Eintrittsstromschlitz 92, 132 und
die zweite Mehrzahl von Eintrittsstromschlitzen 142A, 142B, 142C aus,
strömt
in die zweite Eintrittsstromverzweigungseinrichtung 130 hinein
und tritt aus der Rahmeneinrichtung 46 aus in die primäre Oxidationsmittelpassage 38.
Der Anlagenaustrittsstrom strömt
dann durch die Anlagenaustrittspassage 40 in die erste
Austrittsstromverzweigungseinrichtung 144, durch die erste Mehrzahl
von Austrittsstromschlitzen 148A, 148B, 148C hindurch
sowie in die Austrittsstrompassagen 104A, 104B, 104C sowie
weitere derartige Passagen, die in der Darstellung der 5 mit "ES" bezeichnet sind,
und setzt seinen Weg durch die Rahmeneinrichtung 46 in
einer allgemeinen Richtung fort, die durch einen in 6 dargestellten
zweiten Strömungspfeil 158 angedeutet
ist. Der Austrittsstrom tritt dann durch die zweite Mehrzahl von
Austrittsstromschlitzen 154A, 154B, 154C in
die zweite Austrittsstromverzweigungseinrichtung 152 ein
und tritt durch die Anlagenaustritts-Freisetzeinrichtung 58 aus
der Rahmeneinrichtung 46 aus.
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Es
ist hervorzuheben, dass die Darstellung der 6 nur schematisch
ist, und dass die Eintrittsstrom-Zuführleitung 52, die
primäre
Oxidationsmittelpassage 38, die Anlagenaustrittspassage 40 und
die Anlagenaustritts-Freisetzeinrichtung 58 nicht direkt durch
die Seiten 136, 140, 146, 152 der
Rahmeneinrichtung 46 in die Verzweigungseinrichtungen 126, 130, 144, 150 eintreten,
sondern stattdessen durch herkömmliche,
effiziente interne oder externe Verzweigungseinrichtungen geleitet
werden, wie diese in den beiden vorstehend genannten US-Patenten
beschrieben und in der Technik allgemein bekannt sind. Ferner ist
darauf hinzuweisen, dass es sich bei dem ersten Strömungspfeil 156 um
eine Darstellung in "unterbrochener
Linie" handelt,
während
es sich bei dem zweiten Strömungspfeil 158 um
eine Darstellung in "durchgezogener
Linie" handelt,
wie dies in 6 gezeigt ist, um dadurch hervorzuheben,
dass die Strömungsrichtung 156 durch
die Eintrittsstrompassagen "IS" innerhalb der Rahmeneinrichtung
auf einem anderen Niveau als die Strömungsrichtung 158 durch
die Austrittsstrompassagen "ES" stattfindet. Eine
solche Strömung
auf unterschiedlichen Niveaus ist in 5 besser
zu sehen, in der die Strömungsrichtung 156 durch
die Eintrittspassagen "IS" von der ersten Rahmenschulter 80 zu
der zweiten Rahmenschulter 82 stattfindet, während die
Strömungsrichtung 158 durch
die Austrittspassagen "ES" in 5 in einer
Richtung stattfindet, die zu einer Achse zwischen der ersten Rahmenschulter 80 und der
zweiten Rahmenschulter 82 rechtwinklig ist.
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Zum
Zweck der Erläuterung
zeigt 6 auch einen zwischen der strömungsaufwärtigen Eintrittsseite 136 und
der strömungsaufwärtigen Austrittsseite 146 der
Rahmeneinrichtung 46 entfernten Bereich der oberen Oberfläche 124 der
Rahmeneinrichtung, um einen Abschnitt der Buckelschicht-Verbundmembran 78 schematisch
darzustellen. Wie zu sehen ist, beinhaltet der Abschnitt der Membran 78 in 6 die erste
Vertiefung 98A und die erste Erhebung 96A, die der
strömungsaufwärtigen Austrittsseite 146 der Rahmeneinrichtung
benachbart sind, sowie eine weitere Erhebung 96D, die hinter
sowie zwischen der ersten Vertiefung und der Erhebung 98A, 96A ausgerichtet
ist, und exemplifiziert damit ferner die nicht-parallele Ausrichtung
der Reihen von Erhebungen und Vertiefungen, die in 4 gezeigt
sind und die dazu dienen, die serpentinenartigen Eintritts- und
Austrittsstrompassagen durch die gesamte Rahmeneinrichtung 46 zu
bilden.
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Ein
ausgewiesener Testbetrieb der Massentransfer-Verbundmembran 12 der
vorliegenden Erfindung zeigt vorteilhafte Resultate beim Steigern
des Wassergleichgewichts einer Brennstoffzellen-Kraftanlage mit
fünfzig
(50) Kilowatt. In dem Testbetrieb ist die Rahmeneinrichtung der
Massentransfervorrichtung 14 derart ausgebildet, dass sie
ca. 300 Quadratfuß der
Verbundmembran 12 abstützt,
die in Buckelschichten in spiegelbildlicher Zuordnung angeordnet ist,
wie dies schematisch in den 3, 4 und 5 beschrieben
worden ist. Die in dem Test verwendete Massentransfer-Verbundmembran
beinhaltet einen Transfermediumkern, der als Dreilagenkern konfiguriert
ist, wobei es sich bei dem Kern um einen ca. 5 bis 10 μm dicken
Flächenkörper einer
Polyfluorschwefelsäure-Ionomer-Membran
vom Typ "NAFION" handelt, wie diese
von der bereits genannten E.I. DuPont Company hergestellt wird.
Der "NAFION"-Kern ist zwischen
einer ersten und einer zweiten porösen hydrophoben Schicht angeordnet,
wobei es sich bei jeder der porösen
hydrophoben Schichten um einen ca. 25 μm dicken porösen Flächenkörper aus allgemein bekanntem
hydrophoben Polymer vom Typ "TEFLON" handelt, wie dieser
ebenfalls von der E.I. DuPont Company erhältlich ist. Ein Dreilagenkern
mit den vorstehend beschriebenen Abmessungen ist auch im zusammengebauten
Zustand von der W.L. Gore Company in Ekton, Maryland, USA, er hältlich,
wobei dieser als "Gore
Select Membrane" bezeichnet
wird. Der erste und der zweite starre poröse Abstützflächenkörper 64, 66 sind
aus ca. 8 μm dicken
Kohlenstofffasermaterial hergestellt, das von der Firma Technical
Fibre Products Ltd., Slate Hill, New York, USA, unter der Bezeichnung "RK25" erhältlich ist,
das auf ca. 30 bis 50 Gew.-% mit einem Phenolharz imprägniert ist,
das unter der Bezeichnungsnummer 12285 von der Firma Plenco, Sheboygan,
Wisconsin, USA, erhältlich
ist. Der Dreilagenkern sowie der erste und der zweite starre poröse Abstützflächenkörper werden
in eine Form (nicht gezeigt) gesetzt, die eine gewünschte Buckelschichtkonfiguration
bildet, und anschließend
auf 135 bis 191°C
(275 bis 375 Grad-Fahrenheit (im Folgenden "°F")) für ca. 5
Minuten erwärmt.
Nachdem die Schicht dadurch zu einer starren Buckelschicht ausgehärtet ist,
wird sie mit Rahmenschultern verbunden, und es wird eine Mehrzahl
von Buckelschichten und Rahmenschultern im Inneren der Wassertransfervorrichtung 14 angebracht.
Die Rahmenschultern können
aus in der Technik allgemein bekannten, üblichen Kunststoffmaterialien
hergestellt werden, die kompatibel sind, um mit den Buckelschicht-Massentransfer-Verbundmaterialien
verbunden zu werden.
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Resultate
des Testbetriebs zeigen, dass dann, wenn ein Anlagenaustrittsstrom
(der sowohl den Kathodenstrom als auch den verbrannten Anodenaustrittsstrom
beinhaltet) durch die Anlagenaustrittspassage 40 in die
Wassertransfervorrichtung eintritt, die Massentransfer-Verbundmembranen
mit den vorstehend beschriebenen Abmessungen aufweist, der Anlagenaustrittsstrom
eine Temperatur von ca. 90°C
(194°F)
sowie einen Wassergehalt von ca. 70,3 kg/h (155 Pounds per Hour
(im Folgenden "pph")) aufweist, sowie
beim Verlassen der Massentransfervorrichtung durch die Anlagenaustritts-Freisetzeinrichtung 58 eine
Temperatur von 66,7°C (152°F) und einen
Wassergehalt von ca. 15,6 kg/h (34,4 pph) aufweist. Der Oxidationsmitteleintrittsstrom,
der die Massentransfervorrichtung durch die Eintrittsstrom-Zuführleitung 52 eintritt,
hat eine Temperatur von ca. 25°C
(77°F) und
einen Wassergehalt von ca. 0 kg/h (0,0 pph). Wenn der Oxidationsmitteleintrittsstrom
die Massentransfervorrichtung durch die primäre Oxidationsmittelpassage 38 verlässt, ist seine
Temperatur auf ca. 57°C
(135°F)
angestiegen, und sein Wassergehalt ist auf ca. 54,4 kg/h (120 pph) angestiegen.
Es wird wiederum betont, dass die beschriebenen vorteilhaften Leistungseigenschaften der
Massentransfer-Verbundmembran 12 der vorliegenden Erfindung
das Wassergleichgewicht der Brennstoffzellen-Kraftanlage 10 unabhängig von Umgebungslufttempe ratur-
und Feuchtigkeitsbedingungen bei einer leichten und kompakten Konfiguration
verbessern, die eine beträchtliche
Leistungsverbesserung gegenüber
bekannten Brennstoffzellen-Kraftanlagen darstellt.
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Die
vorliegende Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf eine spezielle
Konstruktion einer Massentransfer-Verbundmembran für eine Brennstoffzellen-Kraftanlage
dargestellt und beschrieben worden, jedoch versteht es sich, dass
die Erfindung nicht auf diese speziellen Beispiele und Darstellungen
beschränkt
ist. Zum Beispiel kann die Membran auch bei einer ebenen Flächenkörperausführung, einer Buckelschicht-Ausführungsform,
die in ihrer Anordnung keinen speziellen Einschränkungen hinsichtlich einer
Anzahl von spiegelbildlichen Paaren solcher Buckelschichten unterliegt,
oder in einer beliebigen anderen in der Wärmetauschertechnik bekannten Ausführungsform
verwendet werden, um entgegengesetzte Oberflächen der Membran in einer Wärme- oder
Massentransferbeziehung mit zwei Fluiden anzuordnen. Ferner sind
die primäre
Oxidationsmittelpassage 38 und die Anlagenaustrittspassage 40 schematisch
als Rohre oder Kanäle
dargestellt worden, jedoch kann es sich bei diesen auch einfach
um Durchgangsbohrungen innerhalb der Konstruktion 30 handeln,
die die Brennstoffzellenkomponenten abstützt, an denen die Massentransfervorrichtung
direkt angebracht ist. Aus diesem Grund sollte zur Bestimmung des
Umfangs der Erfindung in erste Linie auf die beigefügten Ansprüche und
nicht auf die vorausgehende Beschreibung Bezug genommen werden.