DE4132536A1

DE4132536A1 - Adjusting water content of electrolyte in fuel cell - using gases entering cell to transport water vapour over water surface, pref. membrane

Info

Publication number: DE4132536A1
Application number: DE4132536A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Kohlmueller; Ulrich Dipl Ing Gebhardt; Ludger Dipl Ing Blum; Walter Dipl Ing Stuehler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-09-30
Filing date: 1991-09-30
Publication date: 1993-04-01

Abstract

Adjusting the water content of the electrolyte (8) in acidic or alkaline fuel cells (1) is claimed. At least one of the gases entering the fuel cell is used to transport water vapour and led over a tempered water surface (36). ADVANTAGE - The water content can be adjusted to the required amts.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Einstellung des Wassergehalts des Elektrolyten in sauren bzw. alkalischen Brennstoffzellen.The invention relates to a method and a device device for adjusting the water content of the electrolyte acidic or alkaline fuel cells.

Bei saueren und bei alkalischen Brennstoffzellen entsteht beim Betrieb der Brennstoffzelle durch die Oxidation des Wasser stoffs Wasser. Dieses Wasser muß aus den Brennstoffzellen entfernt werden, um einer fortgesetzten Verdünnung des Elektro lyten zu begegnen. Bei bekannten Brennstoffzellen mit zir kulierendem Elektrolyten wird das überschüssige Wasser mit dem Elektrolyten aus der Brennstoffzelle entfernt und außerhalb der Brennstoffzelle vom rezirkulierenden Elektrolyten abge trennt.With acidic and alkaline fuel cells during the operation of the fuel cell due to the oxidation of the water material water. This water has to come from the fuel cells be removed to continue dilution of the electro to meet lyten. In known fuel cells with zir the excess water with the Electrolytes removed from the fuel cell and outside the fuel cell from the recirculating electrolyte separates.

Bei den viel kompakteren Matrix-Brennstoffzellen, d. h. bei Brennstoffzellen, bei denen der Elektrolyt von der Oberflächen spannung in den Poren einer zwischen den Elektroden eingeleg ten Matrix gehalten wird, ist das Elektrolytvolumen im Ver gleich zu Brennstoffzellen mit zirkulierenden Elektrolyten sehr klein. Solche Matrix-Brennstoffzellen reagieren daher sehr viel empfindlicher auf Schwankungen beim Entzug des überschüssigen Reaktionswassers, weil hierbei kurzfristig sehr viel stärkere Konzentrationsunterschiede des Elektrolyten aufgebaut werden. Das gleiche gilt in noch stärkerem Maße auch für Brennstoffzellen mit zwischen den Elektroden einge legten Ionenaustauschermembranen. Auch hier ist die Wasser aufnahmekapazität des an der Membran gebundenen Elektrolyten sehr klein. Die Anforderungen an die kontinuierliche und exakte Einstellung des Wassergehalts des Elektrolyten sind daher bei diesen beiden Typen von Brennstoffzellen wesentlich aufwendiger als bei Brennstoffzellen mit einem zirkulierenden Elektrolyten. With the much more compact matrix fuel cells, i. H. at Fuel cells in which the electrolyte from the surfaces voltage is inserted in the pores between the electrodes the matrix is kept, the electrolyte volume is in the ver equal to fuel cells with circulating electrolytes tiny. Such matrix fuel cells therefore react much more sensitive to fluctuations in withdrawal excess water of reaction, because this is very short-term much greater concentration differences in the electrolyte being constructed. The same applies to an even greater extent also used for fuel cells with between the electrodes put ion exchange membranes. Here too is the water Capacity of the electrolyte bound to the membrane tiny. The requirements for continuous and exact adjustment of the water content of the electrolyte therefore essential in these two types of fuel cells more complex than with fuel cells with a circulating Electrolytes.

Wird einerseits zu viel Wasser aus dem Elektrolyten ausge tragen, so kann die Matrix bzw. die hydrophilierte Ionen austauschermembran austrocknen und es kann zu einem Gasdurch bruch kommen, bei dem sich Wasserstoffgas und Sauerstoff zu Knallgas mischen. Wird andererseits zu wenig Wasser ausge tragen, so wird der Elektrolyt zu stark verdünnt, der Innen widerstand der Brennstoffzelle steigt und die Brennstoffzelle hört allmählich auf zu arbeiten. Letzteres insbesondere dann, wenn das überschüssige Wasser die Poren der Elektroden ver schließt und den Gasaustausch unterbricht.On the one hand, too much water is released from the electrolyte wear, so the matrix or the hydrophilized ions Dry out the membrane and it can lead to gas break, where hydrogen gas and oxygen accumulate Mix oxyhydrogen. On the other hand, too little water is emitted wear, the electrolyte is diluted too much, the inside resistance of the fuel cell increases and the fuel cell gradually stop working. The latter especially when the excess water ver ver the pores of the electrodes closes and interrupts the gas exchange.

Durch die EP 01 71 347 B1 ist ein diskontinuierliches Verfah ren bekannt, mit dem man bei einer saueren Brennstoffzelle den in den Poren einer Matrix gehaltenen Elektrolyten nachfüllen kann, ohne die Brennstoffzelle zu demontieren. Ein längeres Abschalten der Brennstoffzelle ist bei diesem Verfahren aber unvermeidlich.EP 01 71 347 B1 is a discontinuous process ren known, with which the acid fuel cell Refill electrolytes held in the pores of a matrix can without disassembling the fuel cell. A longer one Switching off the fuel cell is with this method inevitable.

Es ist auch eine Brennstoffzelle bekannt geworden, bei der der Elektrolyt in einer Matrix zwischen den Elektroden gehalten wird, und bei der der Widerstand der Matrix gemessen und der Volumenstrom des Wasserstoffgases entsprechend dem Meßergeb nis geregelt wird. Diese Regelung ist kompliziert, weil der Widerstand im Arbeitsbereich ein Minimum durchläuft und sowohl bei zu hohem als auch bei zu geringem Wasseraustrag ansteigt. Durch aufwendige Meßprogramme muß daher ermittelt werden, auf welcher Flanke der Widerstand-Konzentrationskennlinie sich die jeweilige Brennstoffzelle befindet und ob somit mehr oder weniger Wasser aus der Brennstoffzelle ausgetragen werden muß. Mit diesem Verfahren ist eine Beeinflussung des Wasseraustrags, nicht aber ein Wassereintrag oder gar eine Einstellung des Wassergehalts des Elektrolyten möglich.A fuel cell has also become known in which the Electrolyte held in a matrix between the electrodes and where the resistance of the matrix is measured and the Volume flow of the hydrogen gas according to the measurement result nis is regulated. This scheme is complicated because of the Resistance in the work area goes through a minimum and both if the water discharge is too high or too low. It must therefore be determined by means of complex measuring programs which edge of the resistance-concentration curve is the respective fuel cell is located and whether thus more or less water has to be discharged from the fuel cell. With this method, an influence on the water discharge, but not a water entry or even an adjustment of the Water content of the electrolyte possible.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu weisen, wie auf einfache Weise der Wassergehalt des Elektro lyten auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann. Dabei soll eine sichere und zuverlässige Lösung gefunden werden, die auch bei Brennstoffzellen mit Matrix oder mit Ionenaustauschermembran einsetzbar ist. The invention is therefore based on the object of finding a way show how easily the water content of the electric lyten can be set to a desired value. A safe and reliable solution should be found be the same with fuel cells with matrix or with Ion exchange membrane can be used.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Ansprüchen 2 bis 8 und 10 bis 16 zu entnehmen.This object is achieved by the features of claims 1 and 9 solved. Further advantageous embodiments of the invention can be found in claims 2 to 8 and 10 to 16.

Weil der Wassergehalt des Elektrolyten erfindungsgemäß dadurch eingestellt wird, daß zumindest eines der in die Brennstoff zelle einströmenden Gase zum Wasserdampftransport eingesetzt und zu diesem Zweck über eine temperierte Wasseroberfläche geleitet wird, wird es möglich, größere Wasserdampfmengen relativ schnell in die Brennstoffzelle hinein und aus ihr auch wieder heraus zu transportieren, ohne daß man dazu den Elektro lyten aus der Matrix und in die Matrix wieder hinein befördern muß. Vielmehr läßt sich so bei allen Betriebszuständen eine brauchbare Konzentration des Elektrolyten einstellen und auch selbsttätig einhalten. Ein Abschalten der Brennstoffzelle zum Zwecke der Anpassung der Elektrolytkonzentration erübrigt sich auf diese Weise.Because according to the invention the water content of the electrolyte that at least one is set in the fuel Cell inflowing gases used for water vapor transport and for this purpose over a tempered water surface is conducted, it becomes possible to larger amounts of water vapor relatively quickly into and out of the fuel cell to transport out again without having to do the electrical Transport the lytes out of the matrix and back into the matrix got to. Rather, one can do so in all operating states set usable concentration of the electrolyte and also adhere automatically. Switching off the fuel cell to The purpose of adjusting the electrolyte concentration is not necessary in this way.

Diese erfindungsgemäße Lösung läßt sich realisieren, indem bei einer saueren oder alkalischen Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode und je einem an der Kathode und an der Anode angrenzenden Gasraum zumindest einer der an eine der beiden Elektroden der Brennstoffzelle unmittelbar angrenzenden Gas räume eingangs- und ausgangsseitig an einer Rezirkulationslei tung angeschlossen ist, in der eine Gasförderpumpe und eine Verdampfer-Kondensator-Anordnung in Serie geschaltet sind. Durch diese Maßnahme wird es möglich, über die Rezirkulations leitung und die daran angeschlossene Verdampfer-Kondensator- Anordnung kontinuierlich relativ große Mengen an Wasserdampf in bzw. aus der Brennstoffzelle heraus zu transportieren.This solution according to the invention can be realized by an acidic or alkaline fuel cell with an anode and a cathode and one each on the cathode and on the anode adjacent gas space at least one of the two Electrodes of the fuel cell immediately adjacent gas rooms on the entrance and exit side at a recirculation line device is connected in which a gas feed pump and Evaporator-condenser arrangement are connected in series. This measure makes it possible to go through recirculation line and the connected evaporator-condenser Arrangement continuously relatively large amounts of water vapor to be transported in or out of the fuel cell.

In weiterer, besonders vorteilhafter Weiterbildung der Erfin dung kann die zu transportierende Wasserdampfmenge durch Veränderung der Temperatur der Wasseroberfläche gesteuert werden. Diese Maßnahme erlaubt es in einfacher Weise, den Was serdampfgehalt des Wasserdampf transportierenden Gases in einer gewünschten Höhe einzuregulieren und damit auch die Konzentration des Wassers im Elektrolyt gleichmäßig und kontinuierlich zu beeinflussen. In a further, particularly advantageous further development of the Erfin the amount of water vapor to be transported Controlled change in water surface temperature will. This measure allows the What in a simple way water vapor content of the water vapor transporting gas in a desired height and thus also the Concentration of water in the electrolyte evenly and to influence continuously.

In besonders zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann die Verdampfer-Kondensator-Anordnung eine poröse Membran umfassen, die auf der einen Seite einen von Gas durchströmten Raum und auf der anderen Seite einen von Wasser durchströmten Raum voneinander trennt. Durch eine solche Bauweise läßt sich in recht kompakter Weise eine relativ große Oberfläche für die Abgabe bzw. die Aufnahme von Wasserdampf erzeugen, die darüber hinaus den Vorteil hat, lageunabhängig zu funktionieren und sich daher auch gut für mobile Anlagen eignet.In a particularly expedient embodiment of the invention, the Evaporator-condenser arrangement comprise a porous membrane, which on the one hand has a space through which gas flows and on the other side a room through which water flows separates from each other. With such a construction, quite compactly a relatively large surface area for that Release or uptake of water vapor generate that over it also has the advantage of functioning independently of the situation and is therefore also well suited for mobile systems.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigenFurther details of the invention are based on one of the Figures illustrated embodiment explained. It demonstrate

Fig. 1 eine Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Einstellung des Wassergehalts des Elektrolyten, Fig. 1 shows a fuel cell with an inventive arrangement for adjusting the water content of the electrolyte,

Fig. 2 ein Diagramm des Wasserdampfpartialdrucks über einer Wasseroberfläche in Abhängigkeit von der Temperatur. Fig. 2 is a diagram of the water vapor over a water surface in dependence on the temperature.

Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine alkalische Brennstoffzelle 1 mit den Zuführungsleitungen 2, 4 für die umzusetzenden Gase und eine angeschlossene Anordnung 6 zur Einstellung des Wassergehalts des Elektrolyten 8. Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, umfaßt die alkalische Brennstoff zelle 1 im Ausführungsbeispiel eine den Elektrolyten 8 durch Kapillarkräfte haltende Matrix 10, an der auf der einen Seite eine Kathode 12 und auf der anderen Seite eine Anode 14 anliegt. Auf der der Matrix 10 abgewandten Seite dieser beiden Elektroden ist je ein Gasraum 16, 18 vorgesehen und auf der den Elektroden abgewandten Seite des Gasraums ist je ein Heiz-Kühl-Druckkissen 20, 22 angebracht. Fig. 1 shows a schematic representation of an alkaline fuel cell 1 with the supply lines 2, 4 for the gases to be reacted and an attached assembly 6 for adjusting the water content of the electrolyte. 8 As can be seen from FIG. 1, the alkaline fuel cell 1 in the exemplary embodiment comprises a matrix 10 which holds the electrolyte 8 by capillary forces, on which on one side a cathode 12 and on the other side an anode 14 abuts. A gas space 16 , 18 is provided on the side of these two electrodes facing away from the matrix 10 , and a heating-cooling pressure pad 20 , 22 is provided on the side of the gas space facing away from the electrodes.

Die Heiz-Kühl-Druckkissen sind beide an ein hier nur angedeu tetes Warmwasser-Heizsystem 24 angeschlossen. Die Matrix 10 besteht im Ausführungsbeispiel aus einem 0,3 mm starken Asbestpapier. Sie ist mit Kalilauge getränkt. Die Anode 14 wie auch die Kathode 12 bestehen im Ausführungsbeispiel jeweils aus einer etwa 0,5 mm starken, porösen Platinschicht. Der an der Kathode 12 angrenzende Gasraum 16 ist an eine Sauerstoff versorgungsleitung 2 angeschlossen. Der an die Anode 14 angren zende Gasraum 18 ist an eine Wasserstoffrezirkulationsleitung 4 angeschlossen. In die Wasserstoffrezirkulationsleitung 4 mündet eine Wasserstoffversorgungsleitung 26. Die Wasserstoff rezirkulationsleitung 4 führt in den an die Anode angrenzenden Gasraum 18 hinein und auf der gegenüberliegenden Seite dieses Gasraums wieder heraus und mündet dann in den Gasraum 28 einer Verdampfer-Kondensator-Anordnung 30. Von dort führt die Wasser stoffrezirkulationsleitung 4 über einen Gasverdichter 32 in den an der Anode 14 anliegenden Gasraum 18 zurück. Vor diesem Gasverdichter 32 mündet die Wasserstoffversorgungsleitung 26 in die Wasserstoffrezirkulationsleitung 4.The heating-cooling pressure pads are both connected to a hot water heating system 24, which is only suggested here. In the exemplary embodiment, the matrix 10 consists of 0.3 mm thick asbestos paper. It is soaked in potash lye. In the exemplary embodiment, the anode 14 and the cathode 12 each consist of an approximately 0.5 mm thick, porous platinum layer. The gas space 16 adjoining the cathode 12 is connected to an oxygen supply line 2 . The gas space 18 adjoining the anode 14 is connected to a hydrogen recirculation line 4 . A hydrogen supply line 26 opens into the hydrogen recirculation line 4 . The hydrogen recirculation line 4 leads into the gas space 18 adjacent to the anode and out again on the opposite side of this gas space and then opens into the gas space 28 of an evaporator-condenser arrangement 30 . From there, the hydrogen circulation line 4 leads back via a gas compressor 32 into the gas space 18 adjacent to the anode 14 . In front of this gas compressor 32 , the hydrogen supply line 26 opens into the hydrogen recirculation line 4 .

Die Verdampfer-Kondensator-Anordnung 30 umfaßt ein gasdichtes Gehäuse 34, welches durch eine poröse Membran 36 in zwei Räume 28, 38 unterteilt ist. Der Raum auf der einen Seite der porö sen Membran 36 ist als Gasraum 28 ausgebildet und ein- und ausgangsseitig an der Wasserstoffrezirkulationsleitung 4 angeschlossen. Der Raum 38 auf der gegenüberliegenden Seite der porösen Membran 36 ist ein- und ausgangsseitig an eine Wasserrezirkulationsleitung 40 angeschlossen. In der Wasser rezirkulationsleitung 40 sind außer einer Umwälzpumpe 42 auch noch eine Temperiereinheit 44 - im Ausführungsbeispiel ein Wärmetauscher - eingebaut.The evaporator-condenser arrangement 30 comprises a gas-tight housing 34 which is divided into two spaces 28 , 38 by a porous membrane 36 . The space on one side of the porous membrane 36 is designed as a gas space 28 and is connected on the inlet and outlet sides to the hydrogen recirculation line 4 . The space 38 on the opposite side of the porous membrane 36 is connected on the inlet and outlet side to a water recirculation line 40 . In addition to a circulation pump 42 , a temperature control unit 44 - in the exemplary embodiment a heat exchanger - is also installed in the water recirculation line 40 .

Vor der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle 1 wird die Brenn stoffzelle über die Heiz-Kühl-Druckkissen 20, 22 auf Betriebs temperatur (ca. 100° C) aufgeheizt und werden der an der Katho de 12 anliegende Gasraum 16 mit Sauerstoffgas und der an der Anode 14 anliegende Gasraum 18 mit Wasserstoffgas beaufschlagt. Dies geschieht dadurch, daß man an die Gasleitung 2, die in den an der Kathode 12 anliegenden Gasraum führt, eine Quelle für Sauerstoffgas und an die Rezirkulationsleitung, die in den an der Anode 14 anliegenden Gasraum führt, eine Quelle für Wasserstoffgas anschließt. Darüber hinaus wird der dort ein gebaute Gasverdichter 32 eingeschaltet. Dieser befördert das Wasserstoffgas in der Rezirkulationsleitung 4 im Kreis durch den an der Anode 14 anliegenden Gasraum 18 und in den Gasraum 28 der Verdampfer-Kondensator-Anordnung 30 und wieder zurück. Der Gasdruck in der Wasserstoffrezirkulationsleitung 4 und der Wasserdruck in der Wasserrezirkulationsleitung 40 werden so eingestellt, daß das Wasser in den Poren der porösen Membran 36 aufsteigt, aber nicht durch diese hindurchtritt.Before the fuel cell 1 is put into operation, the fuel cell is heated to the operating temperature (approx. 100 ° C.) via the heating / cooling pressure pads 20 , 22 and the gas space 16 adjacent to the cathode 12 is filled with oxygen gas and the anode 14 adjacent gas space 18 is charged with hydrogen gas. This is done by connecting a source of oxygen gas to the gas line 2 , which leads into the gas space adjacent to the cathode 12 , and to the recirculation line, which leads into the gas space adjacent to the anode 14 , a source of hydrogen gas. In addition, the gas compressor 32 built there is switched on. This conveys the hydrogen gas in the recirculation line 4 in a circle through the gas space 18 adjacent to the anode 14 and into the gas space 28 of the evaporator-condenser arrangement 30 and back again. The gas pressure in the hydrogen recirculation line 4 and the water pressure in the water recirculation line 40 are adjusted so that the water rises in the pores of the porous membrane 36 but does not pass through it.

Bei Passieren der porösen Membran 36 der Verdampfer-Kondensator- Anordnung 30 reichert sich das Wasserstoffgas mit Wasserdampf an. Dies geschieht so lange, bis der Wasserdampfpartialdruck im Wasserstoffgas gleich groß ist wie der Wasserdampfpartial druck über der Wasseroberfläche bei der herrschenden Wasser temperatur. Dieses mit Wasserdampf angereicherte im Kreislauf geführte Wasserstoffgas gibt über die porige Anode 14 der Brennstoffzelle 1 so lange Wasserdampf an den in der Matrix 10 gespeicherten Elektrolyten 8 ab, bis dort auch der gleiche Wasserdampfpartialdruck erreicht ist. Das heißt, mit steigender Wassertemperatur an der porösen Membran 36 der Verdampfer-Kon densator-Anordnung 30 steigt der Wasserdampfpartialdruck so wohl im Wasserstoffgas in der Rezirkulationsleitung 4 als auch im Elektrolyten 8 der Brennstoffzelle 1 an und umgekehrt.When passing through the porous membrane 36 of the evaporator-condenser arrangement 30 , the hydrogen gas is enriched with water vapor. This continues until the water vapor partial pressure in the hydrogen gas is the same as the water vapor partial pressure above the water surface at the prevailing water temperature. This circulated hydrogen gas enriched with water vapor releases water vapor through the porous anode 14 of the fuel cell 1 to the electrolyte 8 stored in the matrix 10 until the same water vapor partial pressure is reached there. That is, with increasing water temperature on the porous membrane 36 of the evaporator-condenser arrangement 30 , the water vapor partial pressure increases in the hydrogen gas in the recirculation line 4 as well as in the electrolyte 8 of the fuel cell 1 and vice versa.

Bereits vor Erreichen der Betriebstemperatur von ca. 100° C läuft an der Grenzfläche zwischen Elektrolyt 8 und Kathode 12 die nachfolgende Reaktion ab:Even before the operating temperature of approx. 100 ° C has been reached, the following reaction takes place at the interface between electrolyte 8 and cathode 12 :

1/2 O₂ + H₂O = 2 OH^- (I)1/2 O₂ + H₂O = 2 OH ^- (I)

Diese so erzeugten negativ geladenen OH-Ionen diffundieren durch den Elektrolyten 8 von der Kathode 12 zur Anode 14. Dort läuft an der Grenzfläche zwischen Anode 14 und Elektrolyt 8 in Gegenwart der OH-Ionen die folgende Reaktion ab:These negatively charged OH ions thus generated diffuse through the electrolyte 8 from the cathode 12 to the anode 14 . The following reaction takes place there at the interface between anode 14 and electrolyte 8 in the presence of the OH ions:

H₂ + 2 OH^- = 2 H₂O + 2 e^- (II)H₂ + 2 OH ^- = 2 H₂O + 2 e ^- (II)

Die dabei frei werdenden elektrischen Ladungen fließen als elektrischer Strom. Der verbrauchte Sauerstoff wird an der Kathode 12 durch die Sauerstoffleitung 2 nachgeliefert. Der verbrauchte Wasserstoff wird über die Wasserstoff führende Re zirkulationsleitung 4 nachgeliefert. Das außerdem an der Grenz fläche von Anode 14 und Elektrolyt 8 gebildete Wasser verdünnt den Elektrolyten 8 und diffundiert durch die Anode 14 und die Kathode 12 hindurch in die beiden an Anode und Kathode angren zenden Gasräume 16, 18, sofern der Wasserdampfpartialdruck in diesen Gasräumen niedriger ist als im Elektrolyten. Diese beiden Reaktionen (I, II) kommen jedoch zum Stillstand, wenn kein elektrischer Strom abgenommen wird, das heißt, wenn die Brennstoffzelle 1 elektrisch abgeschaltet ist.The electrical charges released in the process flow as electrical current. The used oxygen is supplied to the cathode 12 through the oxygen line 2 . The hydrogen consumed is supplied via the hydrogen-carrying recirculation line 4 . The water also formed at the interface of anode 14 and electrolyte 8 dilutes the electrolyte 8 and diffuses through the anode 14 and the cathode 12 into the two gas spaces 16 , 18 adjacent to the anode and cathode, provided the water vapor partial pressure in these gas spaces is lower than in the electrolyte. However, these two reactions (I, II) come to a standstill when no electrical current is drawn, that is to say when the fuel cell 1 is electrically switched off.

Vor der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle 1 entspricht daher der Wasserdampfpartialdruck des Elektrolyten 8 zunächst exakt der Feuchte bzw. dem Wasserdampfpartialdruck des Kreislauf gases und somit auch dem Wasserstoffpartialdruck über der Wasseroberfläche in der porösen Membran der Verdampfer-Konden sator-Anordnung. Wie der Fig. 2 entnommen werden kann, ist dieser Wasserdampfpartialdruck von der Wassertemperatur ab hängig. Er kann durch Veränderung der Wassertemperatur in der Verdampfer-Kondensator-Anordnung 30 beeinflußt werden. Vor der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle wird die Wassertemperatur in der Verdampfer-Kondensator-Anordnung 30 zwischen 40 und 60°C eingestellt. Hierdurch ergibt sich ein Wasserdampfpartialdruck im Kreislaufgas und damit auch im Elektrolyten 8, bei dem dieser weder auskristallisiert noch zu stark verdünnt ist.Before the fuel cell 1 is started up, the water vapor partial pressure of the electrolyte 8 therefore initially corresponds exactly to the moisture or the water vapor partial pressure of the cycle gas and thus also the hydrogen partial pressure above the water surface in the porous membrane of the evaporator-condenser arrangement. As can be seen in FIG. 2, this water vapor partial pressure is dependent on the water temperature. It can be influenced by changing the water temperature in the evaporator-condenser arrangement 30 . Before the fuel cell is started up, the water temperature in the evaporator-condenser arrangement 30 is set between 40 and 60 ° C. This results in a water vapor partial pressure in the cycle gas and thus also in the electrolyte 8 , in which the latter is neither crystallized out nor excessively diluted.

Wird jetzt die Brennstoffzelle an einen Stromverbraucher ange schlossen, so bildet sich aufgrund der obengenannten Reaktionen (I) und (II) an der Gernzschicht des Elektrolyten 8 zur Anode 14 Wasser, welches den Elektrolyten zunehmend verdünnt und zugleich den Wasserdampfpartialdruck im Elektrolyten erhöht. Dieser erhöhte Wasserdampfpartialdruck wirkt sich in den bei den Gasräumen 16, 18 zu beiden Seiten der Elektroden 12, 14 der Brennstoffzelle dahingehend aus, daß Wasserdampf in diese Gasräume eindiffundiert. So nimmt z. B. die Feuchte in dem an der Kathode anliegenden Gasraum allmählich zu. Das gleiche würde auch für den an der Anode 14 anliegenden Gasraum der Fall sein, wenn dort nicht der in den Gasraum eindiffundierte Wasserdampf mit dem Wasserstoff über die Wasserstoffrezirku lationsleitung 4 wieder weggeführt und durch ein frisches Wasserdampf-Wasserstoffgemisch ersetzt werden würde. Das über die Wasserstoffrezirkulationsleitung 4 weggeführte Wasserdampf- Wasserstoff-Gemisch gelangt in den Gasraum 28 der Verdampfer- Kondensator-Anordnung 30 und strömt dort längs der porösen Membran 36. Je nach dem ob nun der Wasserdampfpartialdruck an der porösen Membran höher oder niedriger ist als im zuströmen den Wasserdampf-Wasserstoff-Gemisch, wird Wasserdampf aus dem Gasgemisch auskondensiert oder in das Gasgemisch hinein ver dampft.If the fuel cell is now connected to a power consumer, water forms due to the above-mentioned reactions (I) and (II) on the core layer of the electrolyte 8 to the anode 14 , which increasingly dilutes the electrolyte and at the same time increases the water vapor partial pressure in the electrolyte. This increased water vapor partial pressure has an effect in the gas spaces 16 , 18 on both sides of the electrodes 12 , 14 of the fuel cell to the extent that water vapor diffuses into these gas spaces. So z. B. the humidity in the gas space adjacent to the cathode gradually increases. The same would also be the case for the gas space adjacent to the anode 14 if the water vapor diffused into the gas space and the hydrogen were not carried away again via the hydrogen recirculation line 4 and were replaced by a fresh water vapor-hydrogen mixture. The water vapor-hydrogen mixture carried away via the hydrogen recirculation line 4 reaches the gas space 28 of the evaporator-condenser arrangement 30 and flows there along the porous membrane 36 . Depending on whether the water vapor partial pressure at the porous membrane is higher or lower than in the water vapor-hydrogen mixture, water vapor is condensed out of the gas mixture or evaporated into the gas mixture.

Im vorliegenden Fall, wo bei angeschlossenem Stromverbraucher zusätzlicher Wasserdampf über die Anode 14 in das rezirkulie rende Wasserdampf-Wasserdampf-Gemisch eindiffundiert, würde dieser zusätzliche Wasserdampf über die poröse Membran 36 der Verdampfer-Kondensator-Anordnung 30 so lange auskondensieren, bis sich die Partialdrücke über der porösen Membran und im Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisch in der Wasserstoffrezirkula tionsleitung 4 angeglichen haben. Auch wenn bereits bei mäßi ger elektrischer Leistung der Brennstoffzelle 1 das für den Wasserdampftransport erforderliche Konzentrationsgefälle einen solchen Ausgleich der Wasserdampfpartialdrücke nicht zuläßt, so wird dennoch ein trockeneres Wasserstoff-Wasserdampf-Ge misch über den Gasverdichter 32 in den an der Anode 14 anlie genden Gasraum 18 gedrückt. Dies führt letztendlich dazu, daß fortwährend Wasserdampf aus dem Elektrolyten 8 durch die Anode 14 hindurch in den an der Anode angrenzenden trockeneren Gas raum 18 abgegeben wird und an der porösen Membran 36 in der Verdampfer-Kondensator-Anordnung 30 auskondensiert. Dadurch kann der Wasserdampfpartialdruck im Elektrolyten 8 während des Betriebes, wenn auch auf einem höheren Niveau als im Leerlauf, konstant gehalten werden. Dabei hängt die absolute Höhe des Wasserdampfpartialdrucks im Elektrolyten 8 im Gleichgewichts zustand von der je Zeiteinheit produzierten Menge Wasser, d. h. von der abgegebenen elektrischen Leistung und vom Wasserdampf partialdruck über der porösen Membran 36 in der Verdampfer- Kondensator-Anordnung 30 und damit von der Wassertemperatur an dieser Membran ab. Er läßt sich somit über die Wassertempera tur beeinflussen bzw. einstellen. In the present case, where additional water vapor diffuses through the anode 14 into the recirculating water vapor / water vapor mixture when the power consumer is connected, this additional water vapor would condense through the porous membrane 36 of the evaporator-condenser arrangement 30 until the partial pressures over the porous membrane and in the hydrogen-water vapor mixture in the hydrogen recirculation line 4 have adjusted. Even if the concentration gradient required for water vapor transport does not permit such a compensation of the water vapor partial pressures even with moderate electrical power of the fuel cell 1 , a drier hydrogen-water vapor mixture will nevertheless be mixed via the gas compressor 32 in the gas space 18 lying against the anode 14 pressed. This ultimately leads to the fact that water vapor is continuously emitted from the electrolyte 8 through the anode 14 into the drier gas space 18 adjacent to the anode and condenses on the porous membrane 36 in the evaporator-condenser arrangement 30 . As a result, the water vapor partial pressure in the electrolyte 8 can be kept constant during operation, albeit at a higher level than when idling. The absolute level of the water vapor partial pressure in the electrolyte 8 in the state of equilibrium depends on the amount of water produced per unit of time, ie on the electrical power output and on the water vapor partial pressure above the porous membrane 36 in the evaporator-condenser arrangement 30 and thus on the water temperature this membrane. It can thus influence or adjust the water temperature.

Beim Betrieb der alkalischen Brennstoffzelle 1 wird angestrebt, die Konzentration der in der Matrix 10 gehaltenen Kalilauge so hoch wie möglich, d. h. den Wasseranteil so gering wie möglich, zu halten. Dabei soll jedoch in der Kalilauge immer mindestens so viel Wasser vorhanden sein, daß keine Auskristallisation bzw. Austrocknung des Elektrolyten stattfindet, weil dies nicht nur die Leistungsfähigkeit der Zelle vermindern würde, sondern zugleich auch dazu führen würde, daß die Matrix un dicht wird und sich Wasserstoff und Sauerstoff vermischen können. Andererseits darf der Wassergehalt des Elektrolyten 8 auch nicht so stark zunehmen, daß der verdünnte Elektrolyt auch die Kapillaren der beiden Elektroden vollständig ausfüllt und dabei den Gasaustausch behindert - ein Zustand, den man gemeinhin als "Fluten" der Elektroden bezeichnet. Auch in diesem Fall würde die Leistung der Brennstoffzelle stark abfallen.When operating the alkaline fuel cell 1 , the aim is to keep the concentration of the potassium hydroxide solution held in the matrix 10 as high as possible, ie to keep the water content as low as possible. However, there should always be at least enough water in the potassium hydroxide solution that the electrolyte does not crystallize or dry out, because this would not only reduce the efficiency of the cell, but would also lead to the matrix becoming impervious and becoming dense Can mix hydrogen and oxygen. On the other hand, the water content of the electrolyte 8 must not increase so much that the diluted electrolyte also completely fills the capillaries of the two electrodes and thereby impedes gas exchange - a condition which is commonly referred to as "flooding" of the electrodes. In this case too, the performance of the fuel cell would drop sharply.

Um die optimale Konzentration, d. h. den Wassergehalt des Elektrolyten - im Ausführungsbeispiel der Kalilauge - einzu halten, gibt es drei verschiedene Betriebsweisen, die getrennt oder auch kombiniert angewendet werden können. Es sind dies:To get the optimal concentration, d. H. the water content of the Electrolytes - in the embodiment of the potassium hydroxide solution - einu hold, there are three different modes of operation that are separate or can also be used in combination. They are:

1. The water temperature in the evaporator-condenser arrangement 30 is set so low that the water vapor partial pressure in the electrolyte 8 occurs during the idling of the fuel cell 1 , when it does not deliver any electrical power, in the lower region of the solubility curve of the electrolyte. When the power is delivered, the water content of the electrolyte will then increase by itself.
2. The cooling of the fuel cell is dimensioned such that the temperature of the fuel cell rises by approx. 10 ° C. when the power is delivered, ie when the power loss increases. Because the temperature of the electrolyte also increases its water vapor partial pressure, this leads to increasing water discharge from the fuel cell into the connected recirculation line and thus also to an increased water discharge via the evaporator-condenser arrangement 30 .
3. The water temperature in the evaporator-condenser arrangement 30 is reduced as the power output of the fuel cell increases. This also lowers the water vapor partial pressure on the porous membrane of the evaporator-condenser arrangement 30 and increases the amount of water that condenses on the porous membrane at a given moisture content of the circulating gas.

Es ist ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung, daß sie weitgehend selbstregelnd funktioniert. So laufen die Betriebsweisen 1 und 2 von selbst ab. Denn mit zunehmender elektrischer Leistung erhöht sich einerseits der Wasserdampfge halt des Elektrolyten von selbst und steigt trotz Kühlung durch die Heiz-Kühl-Druckkissen die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle ebenfalls von selbst an, so daß der Wasserdampf partialdruck durch diese beiden Einflüsse ansteigt und ver mehrt Wasser ausgetragen wird. Nur die dritte Betriebsweise erfordert eine aktive Steuerung der Heizleistung der Wärmetau scheranordnung 44 in der Wasserrezirkulationsleitung 40.It is a great advantage of the arrangement according to the invention that it functions largely in a self-regulating manner. Operating modes 1 and 2 run automatically. Because with increasing electrical power on the one hand the Wasserdampfge hold of the electrolyte increases by itself and despite cooling by the heating-cooling pressure pad, the operating temperature of the fuel cell also increases by itself, so that the water vapor partial pressure rises due to these two influences and more water is discharged becomes. Only the third mode of operation requires active control of the heating output of the heat exchanger shear arrangement 44 in the water recirculation line 40 .

Dieselbe Anordnung und die gleichen drei Betriebsweisen lassen sich auch anwenden, wenn anstelle einer alkalischen Brennstoff zelle eine saure Brennstoffzelle verwendet wird und die Matrix statt mit Kalilauge beispielsweise mit Phosphorsäure getränkt ist. In diesem Fall ist nur die Temperatur des Wassers in der Wasserrezirkulationsleitung entsprechend der etwas verschobenen Löslichkeitskurve der Phosphorsäure etwas anders zu wählen. Dieses Verfahren und diese Anordnung lassen sich aber auch ausführen, wenn anstelle einer Matrix zwischen den beiden Elektroden eine Ionenaustauscherfolie mit anionischem Harz oder mit sauren Komponenten, wie sie unter den Handelsnamen Nafion oder PEM erhältlich sind, verwendet werden.Let the same arrangement and the same three modes of operation also apply if instead of an alkaline fuel cell an acid fuel cell is used and the matrix instead of impregnated with potassium hydroxide, for example with phosphoric acid is. In this case, only the temperature of the water is in the Water recirculation line according to the slightly shifted To choose the solubility curve of phosphoric acid somewhat differently. This method and this arrangement can also be used execute if instead of a matrix between the two Electrodes an ion exchange film with anionic resin or with acidic components, such as those under the trade names Nafion or PEM are available.

Claims

1. A method for adjusting the water content of the electrolyte ( 8 ) in acidic or alkaline fuel cells ( 1 ), in which at least one of the gases flowing into the fuel cell is used for water vapor transport and is passed over a tempered water surface ( 36 ) for this purpose .

2. The method according to claim 1, characterized in that the amount of water vapor to be transported is controlled by changing the temperature of the water surface ( 36 ).

3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the gas used to transport the water vapor is passed through a porous membrane ( 36 ) which is flushed on the other side by water.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the gas used for water transport is guided in the circuit ( 4 ) and both the enrichment and the depletion of the electrolyte ( 8 ) with water vapor by changing the temperature of the water surface ( 36 ) he follows.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the temperature of the fuel cell ( 1 ) increases with increasing power of the fuel cell relative to the temperature of the water surface ( 36 ).

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the temperature of the water surface ( 36 ) is reduced with increasing power of the fuel cell ( 1 ).

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the hydrogen flowing into the fuel cell ( 1 ) is used to transport the water vapor.

8. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the in the Oxygen inflowing fuel cell to transport the Water vapor is used.

9. Device for performing the method according to one of claims 1 to 8 with an acidic or alkaline fuel cell ( 1 ), with a cathode ( 12 ) and an anode ( 14 ) and one adjacent to the cathode and the anode gas space ( 16 , 18 ), characterized in that at least one of the gas spaces directly adjacent to one of the two electrodes of the fuel cell ( 1 ) is connected on the input and output sides to a recirculation line ( 4 ) in which a gas feed pump ( 32 ) and an evaporator -Capacitor arrangement ( 30 ) are connected in series.

10. The device according to claim 9, characterized in that the evaporator-condenser arrangement ( 30 ) on the water side is assigned a temperature control unit ( 44 ) for the water.

11. The device according to claim 9 or 10, characterized in that the evaporator-capacitor arrangement ( 30 ) comprises a porous membrane ( 36 ) which on one side a gas-flowed space ( 28 ) and on the other side one separated from water by flowing space ( 38 ).

12. The device according to one of claims 9 to 11, characterized in that as a porous membrane ( 36 ) is a hydrophilic membrane - such as. B. an asbestos or ceramic membrane - is used.

13. The device according to one of claims 9 to 11, characterized in that as porous Membrane a hydrophobic membrane - such as B. a polytetrafluor ethylene membrane - is used.

14. Device according to one of claims 9 or 10, characterized in that the evaporator fer capacitor arrangement for stationary installation larger free water surface overflown by the gas.

15. The apparatus of claim 9 or 10, characterized in that the evaporator fer capacitor arrangement a water-charged and in the Counterflow of gas flows through the bubble cap.

16. The apparatus of claim 9 or 10, characterized in that the evaporator fer capacitor arrangement a sprinkled by the water and in Counterflow of gas flows through the bed.