AT502353B1 - Verfahren und vorrichtung zur konditionierung eines o2-hältigen gases - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft Verfahren und eine Vorrichtung zur Konditionierung eines 02-hältigen Gases, vorzugsweise Luft, für den Betrieb einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle, vorzugsweise einer PEM-Brennstoffzelle, mit einer das 02-hältige Gas aufnehmenden, kathodenseitigen Zuführleitung und einer das Kathodenabgas abführenden kathodenseitigen Abführleitung, wo-5 bei die kathodenseitige Zuführleitung durch ein Regelventil in eine erste und eine zweite Zweigleitung aufgeteilt ist und eine der Zweigleitungen durch eine von Kathodenabgas beaufschlagte Befeuchtungseinrichtung geführt ist.

Niedertemperatur-Brennstoffzellen der eingangs beschriebenen Art können auch zu sogenann-io ten Brennstoffzellenstacks zusammengefasst sein, wobei alle folgenden Aussagen sowohl für Vorrichtung mit Einzelzellen als auch solchen mit Brennstoffzellenstacks gültig sind.

Es ist bekannt, 02-hältige Gase, beispielsweise Luft, für den Betrieb der Brennstoffeelle zu konditionieren. In bekannten Vorrichtungen erfolgt diese Konditionierung durch eine Befeuch-15 tung der Luft, meist nach deren Kompression, wobei für die Befeuchtung bevorzugt das im Kathodenabgas enthaltene Wasser verwendet werden kann. Das Kathodenabgas von Niedertemperatur-Brennstoffzellen besteht im wesentlichen aus N2, 02 und H20, wobei das Wasser je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle dampfförmig und/oder flüssig im Kathodenabgas enthalten ist. 20

Aus der DE 101 04 246 C1 ist ein Verfahren zum Befeuchten von Prozessgas für den Betrieb einer Brennstoffzelle unter alleiniger Verwendung von Produktwasser bekannt, bei welcher das 02-hältige Gas für die Kathode durch das wasser-dampfhaltige Kathodenabgas über eine erste Befeuchtungseinrichtung und das H2-hältige Brenngas für die Anode durch das wasserdampf-25 hältige Anodenabgas über eine zweite Befeuchtungseinrichtung befeuchtet wird. Zu diesem Zweck wird die kathodenseitige Zuführleitung und die kathodenseitige Abführleitung über einen ersten Gegenstrom-Wärmetauscher geführt, welcher eine Befeuchtungseinrichtung in Form eines Kondensatabscheiders mit Venturi-Düse zur Einspeisung des Kondensats aufweist. Eine zweite, gleichartige Wärmetauscher/Befeuchtungseinrichtung steht für die anodenseitige Zu-30 führleitung und die anodenseitige Abführleitung zur Verfügung.

So ist beispielsweise aus der US 6,656,620 B2 ein Befeuchtungssystem für eine Brennstoffzelle bekannt, bei welcher das Kathodenabgas durch einen Befeuchter geführt wird, welcher im Inneren eine Vielzahl lammellenartiger wasserdurchlässiger Membranen aufweist, wobei jeweils 35 eine Membranseite dem Kathodenabgas zugekehrt ist und die andere Membranseite der zugeführten Luft. Die kathodenseitige Zuführleitung für die Luft weist einen ersten Zweig auf, der den Befeuchter umgeht, sowie einen zweiten Zweig der durch den Befeuchter geführt ist. In der Umgehungsleitung befindet sich ein Regelventil, mit welchem die Teilströme in den beiden Zweigleitungen mengenmäßig geregelt werden können, sodass der Gehalt an Feuchtigkeit in 40 den wieder zusammengeführten Zweigleitungen in weiten Bereichen in Abhängigkeit der Betriebsparameter der Brennstoffzelle geregelt werden kann.

Nachteilig bei der bekannten Lösung ist die Tatsache, dass sich durch die benötigte Verdampfungswärme auch die Temperatur des durch den Befeuchter geführten Gasstroms ändert und 45 die beiden Parameter Feuchtigkeit und Temperatur nicht unabhängig voneinander einstellbar sind.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Konditionierung eines 02-hältigen Gases, vorzugsweise Luft, für den Betrieb einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle so bzw. eines Brennstoffzellenstacks vorzuschlagen, bei welchem zumindest die Parameter Feuchte der Luft (relative Feuchte bzw. absolute Feuchte) und Eintrittstemperatur der Luft in den Stack bzw. die Brennstoffzelle möglichst unabhängig voneinander geregelt werden können. Weiters soll ein dynamischer Betrieb möglich sein, d.h. die Parameteränderungen müssen sehr rasch bei hoher Genauigkeit durchgeführt werden können. Gemäß einer Variante der Erfindung 55 soll auch der Mengenstrom sowie der Druck des 02-hältigen Gases geregelt werden. 3 AT 502 353 B1

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die erste und die zweite Zweigleitung der kathodenseitigen Zuführleitung über einen regelbaren Wärmetauscher geführt sind, wobei der Wärmetauscher in einen Kühlmittelkreislauf der Niedertemperatur-Brennstoffzelle eingebunden ist. Neben der an sich bekannten, regelbaren Befeuchtung des 02-hältigen Gases 5 vor dem kathodenseitigen Eintritt in die Brennstoffzelle, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zusätzlich einen regelbaren Wärmetauscher aus, über welchen sowohl die erste als auch die zweite Zweigleitung geführt sind, wobei die Thermostatisierung der Luft (Heizen bzw. Kühlen) mit dem Kühlmedium der Niedertemperatur-Brennstoffzelle durchgeführt wird. io Das erfindungsgemäße Verfahren sieht demnach folgende Schritte vor: - Auftrennen des 02-hältigen Gasstroms in einen ersten und in einen zweiten Teilstrom, wobei die Aufteilung der Teilströme regelbar ist; - Befeuchten eines der beiden Teilströme; 15 - Temperieren beider Teilströme durch Kühlen oder Erwärmen in einem regelbaren Wärme tauscher auf die im Wesentlichen selbe Temperatur; sowie - kathodenseitige Vereinigung und Zuführung beider Teilströme in die Brennstoffzelle.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung weist der Kühlmittelkreislauf der 20 Brennstoffzelle eine den Wärmetauscher umgehende, ventilgesteuerte Bypass-Strecke auf, mit welcher der den Wärmetauscher passierende Anteil des Kühlmittels regelbar ist. Folglich ist der in den Wärmetauscher eintragbare Wärmestrom bzw. Enthalpiestrom regelbar, über welchen die Austrittstemperatur des 02-hältigen Gasstroms (und damit dessen kathodenseitige Eintrittstemperatur in die Brennstoffzelle) geregelt werden kann. 25

Die Erfindung wird im folgenden an Hand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine Ausführungsvariante einer Brennstoffzelle, mit einer kombinierten Befeuch-ter/Wärmetauscher-Einheit für die Konditionierung des 02-hältigen Betriebsgases der Brennstoffzelle. 30

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 weist zumindest eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle 2 auf, wobei in der Regel viele derartige Brennstoffzellen zu einem sogenannten Brennstoffzellenstack zusammengefasst sind. An der Brennstoffzelle 2 (bzw. dem Brennstoffzellenstack) ist mit A die Anodenseite, mit K die Kathodenseite und mit C ein Kühlmittelkompartment gekenn-35 zeichnet. Das System gemäß Fig. 1 kann beispielsweise als Antriebssystem für ein nicht weiter dargestelltes Fahrzeug dienen.

Die kathodenseitige Zuführleitung 3 ist durch ein Regelventil 4 in eine erste 3a und eine zweite Zweigleitung 3b aufgeteilt, wobei beide Zweigleitungen 3a und 3b durch eine kompakte Konditi-40 oniereinrichtung 7 mit einer - im Hinblick auf die Aufteilung der Teilströme in den Zweigleitungen 3a und 3b regelbaren - Befeuchtungseinrichtung 5 und einem regelbaren Wärmetauscher 6 geführt sind. Der Wärmetauscher 6 ist in einen Kühlmittelkreislauf 9 der Brennstoffzelle 2 eingebunden, wobei der Kühlmittelstrom das Kühlmittelkompartment C der Brennstoffzelle 2 durchströmt. 45

Der Kühlmittelkreislauf 9 weist eine den Wärmetauscher 6 umgehende, mit Hilfe des Ventils 12 geregelte Bypass-Strecke 10 auf, mit welcher der den Wärmetauscher 6 passierende Anteil des Kühlmittels einstellbar ist. Nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher 6 gelangt das wieder zusammengeführte Kühlmittel in einen Kühler 13, beispielsweise einen Luft/Wasser-Kühler, und so wird zurück in das Kühlmittelkompartment C der Brennstoffzelle geführt (siehe Strecke *-*).

Die Befeuchtungseinrichtung 5 und der Wärmetauscher 6 bilden eine kompakte Konditioniereinheit 7, bestehend aus einer ersten Durchflusskammer C1, welche ein- und ausgangsseitig mit der ersten Zweigleitung 3a der kathodenseitigen Zuführleitung 3 verbunden ist, einer zwei-55 ten Durchflusskammer C2, verbunden mit der zweiten Zweigleitung 3b der kathodenseitigen 4 AT 502 353 B1

Zuführleitung, einer dritten Durchflusskammer C3, verbunden mit der kathodenseitigen Abführleitung 8 sowie einer vierten Durchflusskammer C4, verbunden mit dem Kühlmittelkreislauf 9 der Brennstoffzelle 2, wobei alle Durchflusskammern C1 bis C4 miteinander in thermischem Kontakt stehen und die zweite Durchflusskammer C2 von der dritten Durchflusskammer C3 5 durch eine die Befeuchtung des 02-hältige Gases ermöglichende Membran 11 getrennt ist. Die Membran 11 ist im Wesentlichen gasdicht, muss jedoch für Wasser durchlässig ausgebildet sein. Dies kann bedeuten, dass flüssiges Wasser durchtritt und verdampft (Pervaporation), mit den Schritten Diffusion und/oder Strömung danach Verdampfung; oder auch, dass gasförmiges Wasser an der Membran kondensiert und dann hindurchtritt (Permeation), mit den Schritten io Kondensation danach Diffusion und/oder Strömung danach Verdampfung, beide Effekte können auch überlagert auftreten.

Die Membran kann aus einem Kunststoff (porenfrei hydrophil oder feinporös und vorzugsweise hydrophil), aus Keramik oder Metall (jeweils feinporös und vorzugsweise hydrophil) bestehen; 15 Materialmischungen oder mehrschichtige Material-Verbünde sind ebenfalls möglich.

Die einzelnen Durchflusskammern C1 bis C4 der Konditioniereinheit 7 können in einer anderen (als der dargestellten) Reihenfolge angeordnet sein, lediglich die Kammern C2 und C3 sollten direkt benachbart sein. Es ist beispielsweise auch möglich die einzelnen Durchflusskammern 20 C1 bis C4 als konzentrisch geführte Rohre anzuordnen.

Es ist auch möglich für die Befeuchtungseinrichtung 5 und den Wärmetauscher 6 separate Bauteile vorzusehen. 25 Der Mengenstrom des 02-hältigen Gases durch die Brennstoffzelle 2 kann über die Leistung eines stromaufwärts der Konditioniereinheit 7 (Befeuchtungseinrichtung 5 und Wärmetauschers 6) in der kathodenseitigen Zuführleitung 3 angeordneten Verdichters, vorzugsweise über die Drehzahl eines Kompressors 14, geregelt und in weiten Bereichen variiert werden. 30 Unabhängig davon können die beiden Teilströme des 02-hältigen Gases und der Teilstrom des über den Wärmetauscher 6 geführten Kühlmittels mit Hilfe der Ventile 4, 12 sehr schnell in Abhängigkeit der Betriebsparameter der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstacks geregelt werden. 35 Weiters kann der Druck des 02-hältigen Gases in der Brennstoffzelle 2 über eine in der kathodenseitigen Abführleitung 8, vorzugsweise ausgangsseitig der Befeuchtungseinrichtung 5 und des Wärmetauschers 6, angeordnete Drosseleinrichtung oder einen Expander 15, z.B. in Kombination mit einem druckerzeugenden Verdichter, geregelt werden. Die im Expander bei der Druckentspannung gewonnene Energie kann dem Kompressor 14 direkt zugeführt werden, 40 wobei beide Komponenten zu einer Kompressor/Expander-Einheit zusammengefasst sein können.

Zusammenfassend ergeben sich für die Regelung des Luftmengenstroms, der Feuchte der Luft und der Eintrittstemperatur der Luft in die Brennstoffzelle bzw. den Brennstoffzellenstack fol-45 gende Vorteile: A) Luftmengenstrom (Vorgang im Kompressor 14): - Regelung durch Variation der Kompressorleistung bzw. Kompressordrehzahl. 50 B) Feuchte der Luft (Vorgang in der Befeuchtungseinrichtung 5 der Konditioniereinrichtung 7): - Aufsplitten des Luftstromes nach der Kompression (Temperatur tk z.B. 130°C) in zwei Teilströme 3a, 3b, 55 - der Teilstrom 3a mit der Eintrittstemperatur tk wird durch die Temperierungskammer C1 5 AT 502 353 B1 geleitet, - die Luft wird hier auf tw (z.B. 70°C) temperiert (aber nicht befeuchtet), - die Luft nimmt Wärme aus C4 auf oder gibt Wärme nach C4 ab - der Teilstrom 3b mit der Eintrittstemperatur tk wird durch die Befeuchterkammer C2 ge- 5 leitet, - die Luft wird hier auf tw temperiert, - die Luft wird hier bei tw mit Wasser gesättigt (relative Feuchte bei tw => 100 %), - die Luft nimmt Wasser aus C3 und Wärme aus C4 auf. io - Die Teilströme 3a und 3b können durch das Regelventil 4 beliebig eingestellt werden. - Dadurch ist die Einstellung einer beliebigen relativen Feuchte zwischen 0 und 100 % bei der Temperatur tw möglich. - Dadurch ist auch die Einstellung einer beliebigen Gastemperatur zwischen tk (entspricht der Temperatur nach der Kompression) und der Temperatur tw möglich. 15 - Die Befeuchtung erfolgt im Wesentlichen mittels Flüssigwasser aus dem Kathodenabgas in der Durchflusskammer C3, - durch die Membran 11 wird im Wesentlichen flüssiges Wasser übertragen (Kondensation in C3 => Transport => Verdampfung in C2), 20 - es wird zusätzliche Verdampfungswärme benötigt, diese muss dem Kühlmittel entnom men werden (aus C4). C) Eintrittstemperatur der Luft in die Brennstoffzelle (Vorgang im Wärmetauscher 6 der Konditioniereinrichtung 7): 25 - Aufsplitten des heißen Kühlmittels, welches mit der Temperatur th (z.B. 80°C) aus der Brennstoffzelle 2 austritt in zwei Teilströme. - Der Teilstrom durch die Kammer C4 des Wärmetauschers 6 wird so gewählt, dass durch 30 die Abkühlung - primär wegen der Verdampfung des flüssigen Befeuchtungswassers aus C3 in C2 hinein - genau die Temperatur tw erreicht wird, der Rest des Kühlmittels wird durch die Bypass-Strecke 10 an der Konditioniereinrichtung 7 vorbei geführt. - Die Austrittstemperatur tw des Kühlmittels aus dem Wärmetauscher 6 definiert gleichzei- 35 tig die Austrittstemperatur tw der befeuchteten Luft aus C2 und jene der temperierten, trockenen Luft aus C1 (das Kühlmittel prägt sein Temperaturprofil allen Medienströmen durch die Konditioniereinrichtung 7 auf). - Durch die Gegenstromführung (bezogen auf die Durchflusskammer C4) des Kathoden- 40 abgases in der Durchflusskammer C3 wird gewährleistet, dass dessen Temperatur beim

Austritt aus C3 bei th liegt, also der maximale Kühleffekt für die Brennstoffzelle bzw. den Stack erreicht werden kann (wegen des dann maximal möglichen Wasserdampfgehalts der Luft), 45 - zudem kann die Luft falls notwendig bei hoher Kompressor-Austrittstemperatur tk ge kühlt werden, bzw. dann wenn durch Verdampfung von Wasser keine ausreichende Kühlung erreicht werden kann (beispielsweise wenn die Luft überhaupt nicht befeuchtet werden soll). so - Die beiden Teilströme des Kühlmittels können durch den Strömungsteiler (Regelventil 12) beliebig eingestellt werden.

Das aus C3 austretende Kathodenabgas (im Wesentlichen Luft und Wasserdampf) wird auf hohem Temperaturniveau th gehalten. Das Abgas ist dabei noch mit Wasserdampf gesättigt, da 55 nur mittels Flüssigwasser befeuchtet wurde. Das Abgas transportiert daher den maximal mögli-

Claims (9)

1. 6 AT 502 353 B1 chen Wärmestrom bzw. Enthalpiestrom. Dadurch verringert sich die notwendige Kühlleistung des Kühlmittelkühlers 13 für den Brennstoffzellenstack. Für den Betrieb der Vorrichtung sind zwei Sensoren, ein Temperatur- und eine Feuchtesensor, von Vorteil, wobei bei einer Kennfeldsteuerung auf den Einsatz eines oder beider Sensoren verzichtet werden kann. Die Feuchte kann mit einem Feuchtesensor Ml beispielsweise am kathodenseitigen Eintritt in die Brennstoffzelle 2, nach der Vereinigung der beiden Teilströme 3a und 3b gemessen oder aus dem Verhältnis der beiden Teilströme berechnet werden. Die für die Regelung wichtigere Temperatur tw kann mit einem Temperatursensor TI am Austritt des Kühlmittel-Teilstroms aus der Durchflusskammer C4 des Wärmetauschers 6 vor der Einmündung der Bypass-Strecke 10 in den Kühlmittelkreislauf gemessen werden. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur Konditionierung eines 02-hältigen Gases, vorzugsweise Luft, für den Betrieb einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle (2), vorzugsweise einer PEM-Brennstoffzelle, mit einer das 02-hältige Gas aufnehmenden, kathodenseitigen Zuführleitung (3) und einer das Kathodenabgas abführenden kathodenseitigen Abführleitung (8), wobei die kathodenseitige Zuführleitung (3) durch ein Regelventil (4) in eine erste (3a) und eine zweite Zweigleitung (3b) aufgeteilt ist und eine der Zweigleitungen (3b) durch eine von Kathodenabgas beaufschlagte Befeuchtungseinrichtung (5) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (3a) und die zweite Zweigleitung (3b) der kathodenseitigen Zuführleitung (3) über einen regelbaren Wärmetauscher (6) geführt sind, wobei der Wärmetauscher (6) in einen Kühlmittelkreislauf (9) der Niedertemperatur-Brennstoffzelle (2) eingebunden ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (9) eine den Wärmetauscher (6) umgehende, ventilgesteuerte Bypass-Strecke (10) aufweist, mit welcher der den Wärmetauscher (6) passierende Anteil des Kühlmittels regelbar ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtungseinrichtung (5) und der Wärmetauscher (6) eine kompakte Konditioniereinheit (7) bilden, bestehend aus einer ersten Durchflusskammer (C1), verbunden mit der ersten Zweigleitung (3a) der kathodenseitigen Zuführleitung (3), einer zweiten Durchflusskammer (C2), verbunden mit der zweiten Zweigleitung (3b) der kathodenseitigen Zuführleitung (3), einer dritten Durchflusskammer (C3), verbunden mit der kathodenseitigen Abführleitung (8) sowie einer vierten Durchflusskammer (C4), verbunden mit dem Kühlmittelkreislauf (9) der Brennstoffzelle (2), wobei alle Durchflusskammern (C1 bis C4) miteinander in thermischem Kontakt stehen und die zweite Durchflusskammer (C2) von der dritten Durchflusskammer (C3) durch eine die Befeuchtung des 02-hältige Gases ermöglichende Membran (11) getrennt ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweite Durchflusskammer (C2) und der dritten Durchflusskammer (C3) eine im Wesentlichen gasdichte, für Wasser durchlässige Membran (11) angeordnet ist.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung des Mengenstroms des 02-hältigen Gases durch die Brennstoffzelle (2) in der kathodenseitigen Zuführleitung (3) stromaufwärts der Befeuchtungseinrichtung (5) und des Wärmetauschers (6) ein in seiner Leistung regelbarer Verdichter, vorzugsweise ein über die Drehzahl regelbarer Kompressors (14), angeordnet ist.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung des Druckes des 02-hältigen Gases in der Brennstoffzelle (2) eine in der kathodenseitigen Abführleitung (8), vorzugsweise ausgangsseitig der Befeuchtungseinrichtung (5) und 7 AT 502 353 B1 des Wärmetauschers (6), angeordnete Drosseleinrichtung oder ein Expander (15) angeordnet ist.
7. 7. Konditionierverfahren für ein 02-häitiges Gas, vorzugsweise Luft, welche einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle, vorzugsweise einer PEM-Brennstoffzelle, kathodenseitig zugeführt wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - Auftrennen des 02-häitigen Gasstroms in einen ersten und in einen zweiten Teilstrom, wobei der Mengenstrom der Teilströme regelbar ist; - Befeuchten eines der beiden 02-hältigen Teilströme; - Temperieren beider 02-hältigen Teilströme durch Kühlen oder Erwärmen in einem regelbaren Wärmetauscher; sowie - kathodenseitige Vereinigung und Zuführung beider Teilströme in die Brennstoffzelle.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Thermostatisierung der beiden Teilströme ein regelbarer Teilstrom des Kühlmittels der Brennstoffzelle durch den Wärmetauscher geführt wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilströme des 02-hältigen Gases und der Teilstrom des über den Wärmetauscher geführten Kühlmittels unabhängig voneinander, in Abhängigkeit der Betriebsparameter der Brennstoffzelle geregelt werden. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen