DE69933301T2 - Brennstoffzellenanlage mit verbundmembran für stofftransport - Google Patents

Brennstoffzellenanlage mit verbundmembran für stofftransport Download PDF

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • 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.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • Massentransfer-Verbundmembranen sind aus der US 4,954,388 A und der WO 97/41168 A bekannt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese und weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei Lektüre der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Begleitzeichnungen noch besser verständlich.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Massentransfer-Verbundmembran der vorliegenden Erfindung innerhalb einer Massentransfervorrichtung einer Brennstoffzellen-Kraftanlage.
  • 2A zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Massentransfer-Verbundmembran gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 2B zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Massentransfer-Verbundmembran gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 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.
  • 4 zeigt eine fragmentarische Perspektivansicht der Buckelschicht-Massentransfer-Verbundmembran und der Rahmenschulter gemäß 3.
  • 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.
  • 6 zeigt eine schematische, im Schnitt dargestellte Draufsicht von oben auf eine Rahmenkonstruktion für ein Massentransfervorrichtungsgehäuse, das eine Mehrzahl von Buckelschicht-Massentransfer-Verbundmembranen aufweist.
  • BESTE ART UND WEISE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (12)

  1. Brennstoffzellen-Kraftanlage (10) mit einer Oxidationsmittelpassage (38) zum Einleiten eines Oxidationsmitteleintrittsstroms in die Brennstoffzelle (13), mit einer Anlagenaustrittspassage (40) zum Ausleiten eines Austrittsstroms aus der Brennstoffzelle und mit einer Massentransfer-Verbundmembran (12), die Folgendes aufweist: a. eine Transfermediumkerneinrichtung (62) zum selektiven Sorbieren von Wasser aus dem Austrittsstrom und zum Desorbieren des Wassers in den Oxidationsmitteleintrittsstrom; und b. einen ersten und einen zweiten starren, porösen Abstützflächenkörper (64, 66), die auf entgegengesetzten Seiten der Transfermediumkerneinrichtung (62) angeordnet sind und diese in starrer Weise abstützen, wobei eine äußere Oberfläche des ersten Abstützflächenkörpers eine Eintrittsfläche (54) der Massentransfer-Verbundmembran (12) bildet und eine äußere Oberfläche des zweiten Abstützflächenkörpers eine Austrittsfläche (56) der Membran (12) bildet; wobei die Brennstoffzellen-Kraftanlage (10) ferner eine Rahmeneinrichtung (46) aufweist zum Abstützen der Massentransfer-Verbundmembran (12) in Fluidverbindung mit der Oxidationsmittelpassage (38) und mit der Anlagenaustrittspassage (40) sowie zum Abstützen der Membran (12) in Massentransferbeziehung zu dem Oxidationsmitteleintrittsstrom und dem Anlagenaustrittsstrom, so dass der Eintrittsstrom mit der Eintrittsfläche (54) der Membran (12) in Berührung tritt und der Austrittsstrom mit der Austrittsfläche (56) der Membran (12) in Berührung tritt.
  2. Verwendung einer Massentransfer-Verbundmembran (12) in einer Brennstoffzellen-Kraftanlage (10) mit einer Oxidationsmittelpassage (38) zum Einleiten eines Oxidationsmitteleintrittsstroms in die Brennstoffzelle (13) und mit einer Anlagenaustrittspassage (40) zum Ausleiten eines Austrittsstroms aus der Brennstoffzelle (13), wobei die Verbundmembran (12) Folgendes aufweist: a. eine Transfermediumkerneinrichtung (62) zum selektiven Sorbieren von Wasser aus dem Austrittsstrom und zum Desorbieren des Wassers in den Oxidationsmitteleintrittsstrom; und b. einen ersten und einen zweiten starren, porösen Abstützflächenkörper (64, 66), die auf entgegengesetzten Seiten der Transfermediumkerneinrichtung (62) angeordnet sind und diese in starrer Weise abstützen, wobei eine äußere Oberfläche des ersten Abstützflächenkörpers eine Eintrittsfläche (54) der Massentransfer-Verbundmembran (12) bildet und eine äußere Oberfläche des zweiten Abstützflächenkörpers eine Austrittsfläche (56) der Membran (12) bildet; und wobei die Brennstoffzellen-Kraftanlage ferner eine Rahmeneinrichtung aufweist zum Abstützen der Massentransfer-Verbundmembran in Fluidverbindung mit der Oxidationsmittelpassage und mit der Anlagenaustrittspassage sowie zum Abstützen der Membran in Massentransferbeziehung zu dem Oxidationsmitteleintrittsstrom und dem Anlagenaustrittsstrom, so dass der Eintrittsstrom mit der Eintrittsfläche der Membran in Berührung tritt und der Austrittsstrom mit der Austrittsfläche der Membran in Berührung tritt.
  3. Kraftanlage (10) oder Verwendung nach Ansprucch 1 oder 2, wobei die Transfermediumkerneinrichtung (62) ein ionomeres Material aufweist.
  4. Kraftanlage (10) oder Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste und der zweite starre poröse Abstützflächenkörper (64, 66) ferner verstärkende Fasermaterial-Flächenkörper mit ausgehärtetem integralem Harzmaterial zum starren Abstützen der Transfermediumkerneinrichtung (62) aufweisen.
  5. Kraftanlage (10) oder Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Transfermediumkerneinrichtung (62) einen Dreilagenkern (72) aufweist, der eine erste und eine zweite poröse hydrophobe Schicht (76) beinhaltet, die auf entgegengesetzten Seiten einer Kerneinrichtung (62) angeord net sind, um Wasser selektiv aus dem Austrittsstrom zu sorbieren sowie Wasser in den Oxidationsmitteleintrittsstrom zu desorbieren.
  6. Kraftanlage (10) oder Verwendung nach Anspruch 5, wobei die erste und die zweite poröse hydrophobe Schicht (74, 76) jeweils einen porösen Flächenkörper mit einer Dicke von ca. 25 μm aufweisen und die Kerneinrichtung (62) ein Polyfluor-Schwefelsäure-Ionomer-Material mit einer Dicke von ca. 5 bis 10 μm aufweist.
  7. Kraftanlage (10) oder Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Membran (12) in Form einer Buckelschicht (78) ausgebildet ist, die Erhebungen (96A, 96B, 96C) und Vertiefungen (98A, 98B, 98C, 98D) beinhaltet, die sich von einer durch die Membraneintrittsfläche und die Membranaustrittsfläche definierten Ebene weg erstrecken, wobei die Erhebungen und die Vertiefungen zum Bilden einer Mehrzahl von Eintrittsstrompassagen (102A, 102B, ..) und Austrittsstrompassagen (104A, 104B, ...) zusammenwirken.
  8. Kraftanlage (10) oder Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Rahmeneinrichtung (46) eine Verzweigungseinrichtung zum Leiten des Oxidationsmitteleintrittsstroms in sowie außer Berührung mit der Eintrittsfläche (34) der Massentransfer-Verbundmembran (12), zum Leiten des Austrittsstroms in und außer Berührung mit der Austrittsfläche (56) der Membran (12) sowie zum Verhindern eines Mischens des Eintritts- und des Austrittsstroms aufweist.
  9. Kraftanlage (10) oder Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Massentransfer-Verbundmembran (12) in Form einer Mehrzahl von Buckelschicht-Verbundmembranen (78, 106, 108) ausgebildet ist, die in spiegelbildlicher Zuordnung angeordnet sind, so dass mindestens eine Erhebung (96A) einer ersten Buckelschicht mit einer Vertiefung (134) einer benachbarten zweiten Buckelschicht in Berührung steht, um Eintrittsstrom- und Austrittsstrompassagen zwischen den Schichten zu bilden.
  10. Verfahren zum Zurückgewinnen von Masse aus einem Anlagenaustrittsstrom von Fluiden, die eine Brennstoffzelle (13) einer Brennstoffzellen-Kraftanlage (10) verlassen, und zum Zurückführen der rückgewonnenen Masse in einen Oxidationsmitteleintrittsstrom, der in die Brennstoffzelle (13) eintritt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a. Hindurchleiten des Austrittsstroms durch einen ersten starren porösen Abstützflächenkörper (64, 66) einer Massentransfer-Verbundmembran (12), die einen Transfermediumkern (32) in starrer Weise abstützt, um Wasser selektiv aus dem Austrittsstrom zu sorbieren und das Wasser in den Oxidationsmitteleintrittsstrom zu desorbieren; b. Hindurchleiten des Oxidationsmitteleintrittsstroms durch einen zweiten starren porösen Abstützflächenkörper (66, 64), der dem ersten Abstützflächenkörper (64, 66) gegenüberliegt, wobei der Transfermediumkern (72) zwischen dem ersten und dem zweiten Abstützflächenkörper (64, 66) angeordnet und von diesen abgestützt ist, so dass aus dem Austrittsstrom sorbierte Wassermoleküle durch den zweiten Abstützflächenkörper hindurch in den Oxidationsmitteleintrittsstrom desorbiert werden; und c. anschließendes Einleiten des Oxidationsmitteleintrittsstroms in die Brennstoffzelle (13).
  11. Verfahren nach Anspruch 10, das folgende weitere Schritte aufweist: nach dem Hindurchleiten des Anlagenaustrittsstroms durch den ersten Abstützflächenkörper erfolgendes Hindurchleiten des Anlagenaustrittsstroms durch eine erste poröse hydrophobe Schicht (74, 76), die zwischen dem ersten Abstützflächenkörper und dem Transfermediumkern (72) angeordnet ist, sowie nach dem Hindurchleiten des Oxidationsmitteleintrittsstroms durch den zweiten Abstützflächenkörper erfolgendes Hindurchleiten des Oxidationsmitteleintrittsstroms durch eine zweite poröse hydrophobe Schicht, die zwischen dem zweiten Abstützflächenkörper und dem Transfermediumkern (72) angeordnet ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, das folgende weitere Schritte aufweist: Hindurchleiten des Anlagenaustrittsstroms durch eine Mehrzahl serpentinenartiger Austrittsstrompassagen, die dem ersten starren porösen Abstützflä chenkörper benachbart sind, wobei die Austrittsstrompassagen definiert sind durch Erhebungen (96A, 96B, ..) und Vertiefungen (98A, 98B, ...) einer ersten Seite einer Buckelschicht (78) der Massentransfer-Verbundmembran (12), sowie Hindurchleiten des Oxidationsmitteleintrittsstroms durch eine Mehrzahl serpentinenartiger Eintrittsstrompassagen, die dem zweiten starren porösen Abstützflächenkörper benachbart sind, wobei die Eintrittsstrompassagen definiert sind durch die Erhebungen und Vertiefungen auf einer zweiten Seite der Buckelschicht (78) der Massentransfer-Verbundmembran (12).
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