Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie, enthaltend eine Brennstoffzelle, eine Trockeneinrichtung, eine Befeuch tungseinrichtung und erste Leitungen, um ein Oxyda tionsmittel an die Befeuchtungseinrichtung, das befeuch tete Oxydationsmittel an die Brennstoffzelle, überschüs siges Oxydationsmittel zusammen mit Reaktionsproduk ten der Zelle an die Trockeneinrichtung und kondensier te Reaktionsprodukte an die Befeuchtungseinrichtung bzw.
das überschüssige Oxydationsmittel und nicht kondensierte Reaktionsprodukte an die Umgebung ab zuleiten, zweite Leitungen, um ein Kühlmittel an die Trockeneinrichtung und von dieser an die Brennstoffzel le und eine weitere Leitung, um einen Brennstoff an die Brennstoffzelle zu leiten.
Die Erfindung soll nun mit Hilfe der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt das Schema einer bevorzugten Ausfüh rungsform einer Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie nach der Erfindung, Fig. 2 zeigt eine Befeuchtungseinrichtung für die Vorrichtung nach Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine Trockeneinrichtung für die Vorrich tung nach Fig. 1.
Fig. 4 zeigt eine als Verteiler für das Fluid in der Brennstoffzelle, in der Befeuchtungs- und in der Trok- keneinrichtung verwendbare Baugruppe.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 400 zum Erzeu gen elektrischer Energie enthält eine Brennstoffzelle 401, eine Trockeneinrichtung 402 und eine Befeuch tungseinrichtung 403, die durch Leitungen miteinander verbunden sind. Als Brennstoffzelle 401 kann irgendeine der bekannten Ausführungsformen, die Leitungen für die Versorgung mit Brennstoff, Oxydationsmittel und Kühlmittel aufweisen, verwendet werden.
Die in Fig. 2 gezeigte Befeuchtungseinrichtung 300 enthält ein Gehäuse 301, dessen Innenraum durch flüssigkeitsdurchlässige Trennwände 304 in mehrere Teilräume unterteilt ist. Jeder Trennwand ist eine Kanäle bildende Baugruppe 305 benachbart angeordnet, die im Detail anhand der Figur 4 weiter hinten näher erläutert ist. Die der Trennwand abgewandte Fläche der Baugruppe ist mit einer undurchlässigen Platte 306 abgedeckt oder liegt direkt an der Gehäusewand an.
Weiter sind Leitungen 307 vorgesehen, durch die Was ser oder irgendeine andere Flüssigkeit mit nennenswer tem Dampfdruck bei Arbeitsbedingungen in die Teilräu me eingeführt und Leitungen 302, 303 durch die ein zu befeuchtendes Fluid ebenfalls in die Teilräume ein- bzw. aus diesen abgeleitet werden kann.
Die in Fig. 3 gezeigte Trockeneinrichtung 200 weist ein aus zwei Teilen 201 und 202 bestehendes, durch eine Verschraubung 203 zusammengehaltenes Gehäuse auf. Jeder Gehäuseteil enthält eine Einlassleitung 204, 205 durch die eine Flüssigkeit oder ein, eine Flüssigkeit enthaltendes Gas in die Einrichtung eingeführt werden kann. Der Gehäuseteil 203 ist weiter mit einer Auslass- leitung 206 und der Gehäuseteil 201 mit zwei Auslass- leitungen 207 und 208 versehen. Das Gehäuse bildet eine Kammer, in deren Mitte eine Trennschicht 209 angeordnet ist, auf deren beiden Oberflächen flüssig keitsdurchlässige Zwischenwände 210 befestigt sind.
An jeder Zwischenwand liegt eine Baugruppe 211 bzw. 212 an, die den Raum zwischen der Zwischenwand und der inneren Gehäusewand ausfüllt. Eine solche Baugruppe ist im einzelnen anhand der Figur 4 weiter hinten näher erläutert.
Beim Betrieb wird in die Trockeneinrichtung 200 durch die Leitung 204 warme, feuchte Luft und durch Leitung 205 kalte, trockene Luft eingeleitet. Wenn die warme, feuchte Luft in die Einrichtung 200 eintritt, strömt sie in der Baugruppe 211 zuerst in der Richtung der Pfeile 213 und wird dann, wie noch näher beschrie ben werden wird, auf die anliegende Zwischenwand 210 geleitet, was durch die Pfeile 215 angedeutet ist. Die kalte trockene Luft strömt zuerst in der Baugruppe 212 in der Richtung der Pfeile 214 nach oben und wird dann auf die anliegende Zwischenwand 210 geleitet was durch die Pfeile 216 angedeutet ist. Die kalte, trockene Luft kann dann in die durchlässige Zwischenwand und in einen Teil der Trennschicht 209 eindringen.
Wegen der in der Einrichtung vorhandenen Tempe raturdifferenz kondensiert ein Teil des Wasserdampfes aus dem Warmluftstrom in der Trennschicht 209 und auf der durchlässigen rechten Zwischenwand 210. We gen der Temperatur- und der Feuchtigkeitsdifferenz nimmt der Kaltluftstrom nach dem Eindringen in die Trennschicht 209 einen Teil des kondensierten Wasser dampfes auf. Dabei ist es möglich, dass mehr Wasser dampf aus dem feuchten Luftstrom kondensiert, als in den trockenen Luftstrom hineindiffundieren kann. In diesem Falle fliesst das überschüssige Wasser zum unteren Teil des Gehäuses und wird durch die Leitung 208 abgeführt.
Die warme, feuchte Luft weist beim Austreten durch die Leitung 207 eine geringere Tempe ratur und weniger Feuchtigkeit als beim Eintreten in die Einrichtung auf und umgekehrt weist die kalte, trockene Luft beim Austreten eine höhere Temperatur und Feuchtigkeit als beim Eintritt auf. Natürlich kann die wechselseitige Befeuchtung und Trocknung auch statt finden, ohne dass eine Temperaturdifferenz zwischen den getrennten Luftströmen vorhanden ist.
Es ist auch möglich, anstelle der durchlässigen Trennschicht 209 eine undurchlässige Trennschicht zu verwenden. Dann bewirkt die Einrichtung nur das Trocknen des feuchten Luftstroms ohne den trockenen Luftstrom zu befeuchten.
Die in Fig. 3 gezeigte Einrichtung kann aber nicht nur zum direkten oder indirekten Trocknen, sondern auch als Brennstoffzelle verwendet werden. Dazu ist es nur notwendig die Gehäuseteile 201 und 202 entweder elektrisch voneinander zu isolieren oder aus elektrisch nichtleitendem Material herzustellen und als Trenn schicht 209 einen festen oder flüssigen Elektrolyt zu verwenden. Die Zwischenwände 210, die die Oberflä chen der Trennschicht berühren enthalten dann vorzugs weise ein katalytisch wirksames Material. Wenn dann durch die Leitungen 204 und 205 ein Brennstoff bzw. ein Oxydationsmittel zugeführt werden, kann die Ein richtung zum Erzeugen elektrischer Energie verwendet werden.
Die Trockeneinrichtung 200 arbeitet mit der gezeig ten Anordnung ihrer Bauteile im Gegenstrom. Durch die einfache Massnahme einer relativen Drehung der Ge häuseteile 201 und 202 gegeneinander kann aber auch im Kreuzstrom oder im Gleichstrom gearbeitet wer den.
In Fig. 4 ist eine sowohl in der Befeuchtungs- als auch in der Trockeneinrichtung als Verteiler 305 (Fig. 2) bzw. 211, 212 (Fig.3) für das entsprechende Fluid verwendbare Baugrippe gezeigt. Die Baugruppe enthält eine Platte 108, oder wirkt mit einer anliegenden Platte beispielsweise der Trennwand 304 (Fig. 2) oder einer Zwischenwand 210 (Fig. 3), welche als Überträger eines fliessfähigen Materials oder Wärme oder beider verwen det wird, zusammen. Die Baugruppe enthält weiter ein gewelltes perforiertes Blech oder ein aus perforiertem Material zusammengesetztes Bauteil 141. Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Bauteil eine Mehrzahl von in einer Ebene liegenden ersten Teilen 142 und eine Mehrzahl von in einer anderen Ebene liegenden zweiten Teilen 143.
Die ersten und zweiten Teile sind durch geneigte ebene Teile 144 miteinander verbunden. Ein erster Teil 142 bildet zusammen mit den beiden benachbarten geneigten Teilen 144 einen nach oben geöffneten Kanal 150, während ein zweiter Teil 143 zusammen mit den beiden anliegenden geneigten Teilen einen nach unten geöffneten Kanal 152 bildet. Die geneigten Teile 144 sind gegenüber der Horizonta len um einen Winkel, der zwischen 20 und 87 und vorzugsweise 45 beträgt, geneigt.
Auf dem Bauteil 141 ist eine nicht perforierte Platte 1.1.3 befestigt, die bei der Befeuchtungseinrichtung nach Fig. 2 der Platte 306 entspricht und bei der Trockenein richtung nach Fig. 3 durch die Gehäuseteile 201, 202 gebildet ist, so dass die Platte 108 die nach unten offenen und die Platte 113, die nach oben offenen Kanäle (152 bzw. 150) abdeckt. Bei der gezeigten Ausführungsform sind ausserdem alle nach unten offe nen Kanäle 152 an einer Stirnseite durch Abschlussplat- ten <B>157</B> und alle nach oben offenen Kanäle 150 an der entgegengesetzten Stirnseite durch Abschlussplatten 155 verschlossen.
Bei der Verwendung der Baugruppe zum Verteilen eines Fluid wird dieses durch einen nicht abgeschlosse nen, nach oben offenen Kanal, wie es durch den Pfeil 33 angedeutet ist, in die Baugruppe eingeleitet. Das Fluid kann die gesamte Länge des Kanals durchfliessen, ohne dabei einen bemerkenswerten Druckabfall zu erleiden, kann aber wegen der den Kanal am gegenüberliegenden Ende verschliessenden Abschlussplatte 155 nicht durch den Kanal hindurchfliessen.
Da der Druck des Fluid über der gesamten Länge des Kanals gleichmässig ist, wird das Fluid die perforier ten geneigten Teile, die die Seiten des Kanals bilden, gleichmässig durchdringen. Da der Stoffaustausch zwi schen dem Fluid und der Platte 108 bei den nach oben offenen Kanälen nur durch den perforierten Teil 142, der die Grundfläche der nach oben offenen Kanäle bildet, erfolgen kann, sind die wichtigeren Orte für die Übertragung von Masse und/oder Energie die nach unten offenen Kanäle 152.
Wenn das Fluid die geneigten Teile des Einlasska- nals durchdringt, wird es in einem spitzen Winkel nach unten auf die Platte 108 geleitet. Die vorzugsweise düsenförmig ausgebildeten Perforationen in dem geneig ten Teilen verwandeln dabei den Druck des Fluid in Geschwindigkeit, so dass dieses, wie es durch den geknickten Pfeil 128 angedeutet ist, auf die Oberfläche der Platte 108 auftrifft. Das Fluid wird dann aus den nach unten offenen Kanälen 152 durch die gegenüberlie genden, geneigten, perforierten Teile wieder abgeführt.
Dazu sind die nach unten offenen Kanäle an jeder Stirnseite durch Abschlussplatten 157 verschlossen, so dass der Durchfluss durch diese Kanäle nur durch die seitlichen geneigten Teile möglich ist. Es sei bemerkt, dass die Abmessungen der Kanäle unabhängig von der Ausdehnung der Platte 108 gewählt werden können. Dagegen kann durch die Wahl der Abmessungen der Kanäle die Dauer der Berührung des Fluid mit der Platte 108 beeinflusst werden. Das Fluid tritt dann durch einen der nach oben offenen Kanäle aus der Baugruppe aus, wie es durch den Pfeil 35 angedetet ist.
Zum Betrieb der Vorrichtung 400 wird durch die Leitung 404 ein Oxydationsmittel, vorzugsweise Sauer stoff, an die Befeuchtungseinrichtung 403, und das aus der Befeuchtungseinrichtung 403 austretende befeuchte- te Oxydationsmittel durch die Leitung :105 an die Brennstoffzelle 401 geleitet. Das Oxydationsmittel wird befeuchtet um ein zu starkes Austrocknen des Elektroly ten in der Brennstoffzelle zu verhindern. Ein Teil des Oxydationsmittels wird in der Brennstoffzelle chemisch reagieren, während der Regt verwendet wird, um die auf der Oxydationsmittelseite der Brennstoffzelle gebildeten Reaktionsprodukte abzuführen. Wenn das Reaktions produkt Wasser ist, kann ein Teil des Wassers zum Befeuchten des ankommenden Oxydationsmittels zu rückgewonnen werden.
Darum werden das überschüssi ge Oxydationsmittel und ein Teil der Reaktionsprodukte durch die Leitung 4.06 aus der Brennstoffzelle in die Trockeneinrichtung 402 geleitet.
Der Trockeneinrichtung =102 wird durch die Leitung 407 ein Kühlmittel zugeführt. Infolge des Wärmeaus tauschs zwischen der Mischung aus überschüssigem oxydationsmittel und den Reaktionsprodukten einerseits und dem Kühlmittel andererseits kondensiert mindestens ein Teil der Reaktionsprodukte. Der kondensierte Teil der Reaktionsproduktes wird dann durch die Leitung 408 an die Befeuchtungseinrichtung 403 geleitet. Der Rest des Oxydationsmittels und die nichtkondensierten Reaktionsprodukte werden durch die Leitung 409 aus der Trockeneinrichtung entfernt.
Das Kühlmittel wird weiter von der Trockeneinrich tung 402 durch die Leitung 410 zur Brennstoffzelle geleitet und aus dieser durch die Leitung 411 entfernt. Ausserdem wird der Brennstoffzelle durch die Leitung 412 ein Brennstoff zu- und der unverbrauchte Brenn stoff durch die Leitung =113 wieder abgeleitet.
Die die elektrische Energie erzeugende Vorrichtung 400 arbeitet vorzugsweise mit solchen Brennstoffen und Oxydationsmitteln, deren Reaktionsprodukt Wasser ist. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Trok- keneinrichtung .102 und die Befeuchtungseinrichtung 403 thermisch isoliert und arbeiten adiabatisch und sind auf diese Weise unabhängig von der Umgebungstempe ratur. Die relativen Anordnungen der Leitungen, die die Fluids zur Brennstoffzelle, der Trocken- und der Be feuchtungseinrichtung zu- bzw. aus diesen ableiten, sind für die Funktion der gezeigten Vorrichtung ohne Ein- fluss.
Device for generating electrical energy The present invention relates to a device for generating electrical energy, containing a fuel cell, a drying device, a humidifying device and first lines to add an oxidizing agent to the humidifying device, the humidified oxidizing agent to the fuel cell, and excess oxidizing agent with reaction products of the cell to the drying device and condensed reaction products to the humidifying device or
the excess oxidizing agent and non-condensed reaction products to lead from the environment, second lines to a coolant to the drying device and from this to the fuel cell and a further line to conduct a fuel to the fuel cell.
The invention will now be explained in more detail with the aid of the drawing using an exemplary embodiment.
Fig. 1 shows the scheme of a preferred Ausfüh approximate form of a device for generating electrical energy according to the invention, Fig. 2 shows a humidifier for the device of FIG.
FIG. 3 shows a drying device for the device according to FIG. 1.
4 shows an assembly which can be used as a distributor for the fluid in the fuel cell, in the humidification device and in the drying device.
The device 400 shown in Fig. 1 for generating electrical energy contains a fuel cell 401, a drying device 402 and a humidification device 403, which are connected to one another by lines. Any of the known embodiments which have lines for the supply of fuel, oxidizing agent and coolant can be used as the fuel cell 401.
The humidifying device 300 shown in FIG. 2 contains a housing 301, the interior of which is divided into several sub-spaces by liquid-permeable partition walls 304. A channel-forming assembly 305 is arranged adjacent to each partition wall and is explained in more detail below with reference to FIG. The surface of the assembly facing away from the partition wall is covered with an impermeable plate 306 or rests directly on the housing wall.
Lines 307 are also provided through which water or any other liquid with significant vapor pressure under working conditions is introduced into the sub-spaces and lines 302, 303 through which a fluid to be humidified can also be drawn into or from the sub-spaces.
The drying device 200 shown in FIG. 3 has a housing consisting of two parts 201 and 202 and held together by a screw connection 203. Each housing part contains an inlet line 204, 205 through which a liquid or a gas containing a liquid can be introduced into the device. The housing part 203 is further provided with an outlet line 206 and the housing part 201 with two outlet lines 207 and 208. The housing forms a chamber, in the middle of which a separating layer 209 is arranged, on the two surfaces of which liquid-permeable partition walls 210 are attached.
An assembly 211 or 212, which fills the space between the intermediate wall and the inner housing wall, rests against each partition wall. Such an assembly is explained in more detail below with reference to FIG.
In operation, warm, moist air is introduced into the drying device 200 through line 204 and cold, dry air through line 205. When the warm, moist air enters the device 200, it flows in the assembly 211 first in the direction of the arrows 213 and is then, as will be described in more detail ben, directed onto the adjacent partition 210, which is indicated by the arrows 215 is. The cold, dry air first flows upwards in the assembly 212 in the direction of the arrows 214 and is then directed onto the adjacent partition wall 210, which is indicated by the arrows 216. The cold, dry air can then penetrate into the permeable partition and into part of the separating layer 209.
Because of the temperature difference existing in the device, part of the water vapor from the warm air flow condenses in the separating layer 209 and on the permeable right partition wall 210. Because of the temperature and humidity difference, the cold air flow takes part of the condensed air after penetrating the separating layer 209 Water vapor. It is possible that more water vapor condenses from the moist air flow than can diffuse into the dry air flow. In this case, the excess water flows to the lower part of the housing and is discharged through line 208.
When exiting through line 207, the warm, moist air has a lower temperature and less moisture than when entering the device and, conversely, the cold, dry air has a higher temperature and humidity when exiting than when entering. Of course, the alternating humidification and drying can also take place without there being a temperature difference between the separate air flows.
It is also possible to use an impermeable separating layer instead of the permeable separating layer 209. Then the device only effects drying of the moist air stream without humidifying the dry air stream.
The device shown in FIG. 3 can not only be used for direct or indirect drying, but also as a fuel cell. For this purpose, it is only necessary to either electrically isolate the housing parts 201 and 202 from one another or to produce them from electrically non-conductive material and to use a solid or liquid electrolyte as the separating layer 209. The partition walls 210 which touch the surfaces of the separating layer then preferably contain a catalytically active material. If a fuel or an oxidizing agent are then supplied through the lines 204 and 205, the device can be used to generate electrical energy.
The drying device 200 works with the arrangement of its components shown in countercurrent. By the simple measure of a relative rotation of the housing parts 201 and 202 against each other, however, you can also work in cross-flow or direct current who the.
FIG. 4 shows a component that can be used both in the humidification and in the drying device as a distributor 305 (FIG. 2) or 211, 212 (FIG. 3) for the corresponding fluid. The assembly contains a plate 108, or interacts with an adjacent plate, for example the partition wall 304 (FIG. 2) or an intermediate wall 210 (FIG. 3), which is used as a transmitter of a flowable material or heat or both. The assembly further includes a corrugated perforated sheet metal or a component 141 composed of perforated material. In a preferred embodiment, the component includes a plurality of first parts 142 lying in one plane and a plurality of second parts 143 lying in another plane.
The first and second parts are connected to each other by inclined flat parts 144. A first part 142, together with the two adjacent inclined parts 144, forms an upwardly open channel 150, while a second part 143, together with the two adjacent inclined parts, forms a downwardly open channel 152. The inclined parts 144 are relative to the Horizonta len by an angle which is between 20 and 87 and preferably 45 inclined.
A non-perforated plate 1.1.3 is attached to the component 141, which corresponds to the plate 306 in the humidifying device according to FIG. 2 and is formed in the drying device according to FIG. 3 by the housing parts 201, 202, so that the plate 108 the downwardly open and the plate 113, the upwardly open channels (152 or 150) covers. In the embodiment shown, all of the downwardly open channels 152 are also closed on one end by end plates 157 and all of the upwardly open channels 150 on the opposite end by end plates 155.
When using the assembly for distributing a fluid, this is introduced into the assembly through a non-closed, upwardly open channel, as indicated by arrow 33. The fluid can flow through the entire length of the channel without suffering a noticeable drop in pressure, but cannot flow through the channel because of the closing plate 155 closing the channel at the opposite end.
Since the pressure of the fluid is uniform over the entire length of the channel, the fluid will evenly penetrate the perforated inclined parts that form the sides of the channel. Since the exchange of substances between the fluid and the plate 108 in the upwardly open channels can only take place through the perforated part 142, which forms the base of the upwardly open channels, the more important locations for the transfer of mass and / or energy the downwardly open channels 152.
When the fluid penetrates the inclined parts of the inlet channel, it is directed down onto the plate 108 at an acute angle. The preferably nozzle-shaped perforations in the inclined parts convert the pressure of the fluid into speed, so that it hits the surface of the plate 108, as indicated by the bent arrow 128. The fluid is then discharged from the downwardly open channels 152 through the opposite, inclined, perforated parts.
For this purpose, the downwardly open channels are closed on each end face by end plates 157, so that the flow through these channels is only possible through the laterally inclined parts. It should be noted that the dimensions of the channels can be selected independently of the extent of the plate 108. In contrast, the length of time the fluid is in contact with the plate 108 can be influenced by the choice of the dimensions of the channels. The fluid then exits the assembly through one of the upwardly open channels, as indicated by arrow 35.
To operate the device 400, an oxidizing agent, preferably oxygen, is conveyed through the line 404 to the humidifying device 403, and the humidified oxidizing agent exiting the humidifying device 403 is conveyed through the line 105 to the fuel cell 401. The oxidizing agent is moistened to prevent the electrolyte in the fuel cell from drying out too much. Some of the oxidant will chemically react in the fuel cell while the Regt is used to remove the reaction products formed on the oxidant side of the fuel cell. If the reaction product is water, some of the water can be recovered to moisten the incoming oxidant.
The excess oxidizing agent and part of the reaction products are therefore passed from the fuel cell into the drying device 402 through line 4.06.
A coolant is fed to the drying device = 102 through line 407. As a result of the heat exchange between the mixture of excess oxidant and the reaction products on the one hand and the coolant on the other hand, at least some of the reaction products condense. The condensed portion of the reaction product is then passed through line 408 to humidifier 403. The remainder of the oxidant and the uncondensed reaction products are removed from the dryer through line 409.
The coolant is further conducted from the drying device 402 through the line 410 to the fuel cell and removed therefrom through the line 411. In addition, the fuel cell is supplied with fuel through line 412 and the unused fuel is discharged again through line 113.
The device 400 generating the electrical energy preferably works with fuels and oxidizing agents whose reaction product is water. In a preferred embodiment, the drying device 102 and the humidifying device 403 are thermally insulated and work adiabatically and are in this way independent of the ambient temperature. The relative arrangements of the lines that feed the fluids to the fuel cell, the drying device and the humidifying device or derive from them have no effect on the functioning of the device shown.