AT519349B1 - PEM-Brennstoffzelle - Google Patents

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AT519349B1 ATA51197/2016A AT511972016A AT519349B1 AT 519349 B1 AT519349 B1 AT 519349B1 AT 511972016 A AT511972016 A AT 511972016A AT 519349 B1 AT519349 B1 AT 519349B1
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Konditionierung von zumindest einem Prozessgas (1,2), welches über zumindest eine Prozessgaszuführung (6, 7) zumindest einem elektrochemischen Wandler, insbesondere einer Brennstoffzelle (3), zugeführt wird. Die Prozessgaszuführung (6, 7) weist eine Befeuchtungseinheit (8, 9) auf, mit welcher ein Befeuchtungsmittel (4, 5) in das Prozessgas (1, 2) einbringbar ist. Als Befeuchtungsmittel (4, 5) ist Wasser im überkritischen Zustand in das Prozessgas (1,2) einbringbar.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung von zumindest einem Prozessgas, welches zumindest einem elektrochemischen Wandler, insbesondere einer Brennstoffzelle, zugeführt wird, wobei das Prozessgas mit einem Befeuchtungsmittel befeuchtet wird.
[0002] Weiters betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Konditionierung von zumindest einem Prozessgas, welches über zumindest eine Prozessgaszuführung zumindest einem elektrochemischen Wandler, insbesondere einer Brennstoffzelle, zugeführt wird, wobei die zumindest einer Prozessgaszuführung eine Befeuchtungseinheit aufweist, mit welcher ein Befeuchtungsmittel in das Prozessgas einbringbar ist.
[0003] Die Erfindung betrifft weiters eine Energieumwandlungseinheit zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem ersten wasserstoffhaltigen Prozessgas und einem zweiten sauerstoffhaltigen Prozessgas in zumindest einer Brennstoffzelle, wobei das erste Prozessgas über eine erste Prozessgaszuführung und das zweite Prozessgas über eine zweite Prozessgaszuführung der zumindest einen Brennstoffzelle zugeführt wird.
[0004] Um die Funktionsfähigkeit, Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit von Brennstoffzellen, insbesondere von Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen (LT PEMFC), sicherzustellen, müssen die Prozessgase (Wasserstoff und Luft) konditioniert werden. Neben der Temperatur, dem Druck und dem Massenstrom wird auch die Feuchte je nach Betriebspunkt eingestellt. Die Feuchte spielt dabei eine entscheidende Rolle, da nur eine wasserhaltige Membrane für Wasserstoffkationen durchlässig ist. Um besonders effizient zu sein, sind hohe Feuchtegrade erforderlich. Jedoch können Wassertropfen im Gas die feinen Gaskanäle in der Brennstoffzelle blockieren, was zu einer Unterversorgung mit Reaktanden und dadurch zu reversiblen und irreversiblen Leistungseinbußen (letzteres auch Degradation genannt) führt. Des Weiteren schwillt die Membrane bei der Aufnahme von Wasser an, bei der Abgabe kehrt sich dieser Prozess um, womit mechanischer Stress verbunden ist. Durch stark veränderte relative Feuchte der Prozessgase können zyklisches Ab- und Anschwellen der Membrane diese schädigen und wieder irreversible Leistungseinbußen und damit Degradation hervorrufen.
[0005] Je nach Anwendung - im Betrieb (in einem Brennstoffzellensystem) oder an einem Prüfstand - gibt es verschiedene Verfahren zur Befeuchtung der Reaktanden. In einem Brennstoffzellensystem werden meist Gas-Gas Membranbefeuchter mit sulfoniertem Tetrafluorethylen-Polymer verwendet. Dabei wird das Abgas der Brennstoffzelle getrennt durch eine TeflonMembrane am Prozessgas vorbei geführt. Über die Membrane werden Temperatur und Feuchte der beiden Gase angeglichen. Dieses Verfahren weist eine langsame Ansprechzeit und eine schlechte Regelbarkeit auf und eignet sich daher beispielsweise nicht für die Anwendung in einem Prüfstand.
[0006] Ein weiteres Verfahren, welches vor allem an stationären Forschungsprüfständen verwendet wird, macht sich einen sogenannten „Bubbier zu Nutzte. Dabei wird das Gas von unten durch einen Behälter mit Wasser geblasen, um das Gas zu befeuchten. Dieses Verfahren eignet sich vor allem dazu, sehr konstante Feuchtebedingungen herzustellen, dynamische Änderungen sind jedoch kaum möglich.
[0007] Weitere Verfahren mit besserem Ansprechverhalten und besserer Regelbarkeit, die zumeist für Prüfstände zur Anwendung kommen, sind die Direktverdampfung, die Wassereinspritzung und die direkte Einbringung von Wasserdampf. Bei Ersterem wird über einen Massenstrom-Regler Wasser auf eine beheizte Platte gespritzt. Das Wasser verdampft und wird anschließend dem Prozessgas beigemengt. Vorteilhaft ist hier die gute Dosierbarkeit des Wassers, da dieses in flüssiger Form beigemengt wird. Jedoch ist die Heizplatte träge und muss je nach Wassermenge mehr oder minder stark beheizt werden. Sollte die Wassermenge zu schnell erhöht werden, kann die Platte zu stark abkühlen und das Wasser beginnt sich in der Kammer zu sammeln. Des Weiteren gibt es eine Totzeit zwischen Wassereinspritzung und /10
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Dampfzuführung zum Prozessgas, da das flüssige Wasser erst verdampft werden muss.
[0008] Bei der Wassereinspritzung wird über eine Ein- oder Zweistoffdüse Wasser möglichst fein zerstäubt und direkt dem Prozessgas zugeführt. Vorteilhaft ist wieder die gute Dosierbarkeit, jedoch muss dem Prozessgas selbst die Verdampfungsenthalpie entnommen werden. D.h. das Gas muss stark überhitzt werden, um bei hoher relativer Feuchte genügend Wärme mitzuführen. Zusätzlich ist die Partikelverdunstung vom Verhältnis aus Sättigungspartialdruck an der Partikeloberfläche und Wasserdampfpartialdruck im Gas abhängig. Bei Equilibrium kommt die Verdunstung zum Erliegen. Dabei kann die Bildung von Wassertropfen nicht oder nur sehr schwer vermieden werden.
[0009] In einem weiteren Ansatz wird in einem Kessel Wasserdampf erzeugt und dieser wird dann über Ventile dem Prozessgas beigemengt. Vorteilhaft ist die hohe Dynamik und kurze Ansprechzeit, jedoch kann der Wasserdampf nur schwer dosiert werden.
[0010] Es sind auch Varianten der zuvor beschriebenen Verfahren bekannt. Vor allem bei dynamischen Betriebsbedingungen weisen alle diese Verfahren jedoch Nachteile auf, wobei die Bildung von Wassertropfen oder eine schlechte Regelgüte (Über- bzw. Unterschwinger) der Feuchte zu unvorteilhaften oder schädigenden Betriebsbedingungen für die Brennstoffzelle führen können.
[0011] Es ist die Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, diese und weitere Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
[0012] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem als Befeuchtungsmittel Wasser im überkritischen Zustand verwendet wird. Mit diesem Verfahren kann die relative Feuchte der Prozessgase mit hoher Regelgüte und schneller Ansprechzeit eingestellt werden. Das Verfahren kann für alle elektrochemischen Wandler verwendet werden, bei denen die Befeuchtung von Prozessgasen erforderlich ist, wobei die Bildung von Tröpfchen vermieden werden soll. Die Erfindung ist insbesondere für Brennstoffzellen, wie etwa vom Typ PEMFC, DMFC, PAFC, AFC, DMFC, SOFC oder ähnlichen, vorteilhaft. Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren für Brennstoffzellen vom Typ Low Temperature Polymer Elektrolyte Membrane Fuel Cell (LT PEMFC).
[0013] In einer bevorzugten Ausführungsform kann das als Befeuchtungsmittel in das Prozessgas eingebrachte überkritische Wasser eine spezifische Enthalpie von über 2800 kJ/kg aufweisen. Bei einer isenthalpen Expansion bildet sich dadurch keinerlei flüssiges Wasser, da die entsprechenden Isenthalpen vollständig außerhalb des Nassdampfgebiets verlaufen.
[0014] In vorteilhafter Weise kann das Befeuchtungsmittel über zumindest eine Befeuchtungseinheit mit einer im Wesentlichen isenthalpen Drossel, die gegebenenfalls als Injektor ausgebildet sein kann, in eine Prozessgaszuführung eingebracht werden. Dies ermöglicht eine schnelle und präzise regelbare Einspritzung, wobei die Menge des über die Drossel eingebrachten Befeuchtungsmittels mit einem Massenflussregler sehr präzise ermittelt und geregelt werden kann.
[0015] Als „Drossel wird im Zusammenhang mit der gegenständlichen Beschreibung allgemein eine Querschnittsverengung in einem Strömungskanal bezeichnet. Die Drossel kann beispielsweise als Blende, Düse oder Injektor ausgeführt sein. Als Blende wird ein Loch mit nicht abgerundetem Eingang und einem im Allgemeinen kegelförmigen Ausgang bezeichnet. Eine Düse weist über den Strömungsverlauf einen sich ändernden Querschnitt auf, und ein Injektor ist eine Drossel, Blende oder Düse, die verschließbar ausgeführt ist und deren Querschnitt gegebenenfalls einstellbar ist.
[0016] Die eingangs genannte Vorrichtung zur Konditionierung von zumindest einem Prozessgas löst die erfindungsgemäße Aufgabe dadurch, dass als Befeuchtungsmittel Wasser im überkritischen Zustand in das Prozessgas einbringbar ist. Das Wasser kann beispielsweise über eine Drossel stetig einströmen gelassen werden, wobei die Menge des einströmenden Wassers überden Druck geregelt werden kann.
[0017] In vorteilhafter Weise kann die Befeuchtungseinheit einen in die Prozessgaszuführung
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[0018] Die Ansteuerung kann dabei so zeitlich versetzt erfolgen, dass stetig die gleiche Menge an Befeuchtungsmittel einströmt.
[0019] Die erfindungsgemäße Energieumwandlungseinheit weist eine obenstehend beschriebene Vorrichtung auf.
[0020] In vorteilhafter Weise können in der Energieumwandlungseinheit eine Vielzahl an Brennstoffzellen in zumindest einem Zellblock angeordnet sein, wobei jeweils die erste Prozessgaszuführung und/oder die zweite Prozessgaszuführung einer Vielzahl an Brennstoffzellen des Zellenblocks zugeordnet sein können.
[0021] Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt [0022] Fig [0023] Fig. 2 [0024] Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;
zeigt eine schematische Darstellung eines mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung versehenen Zellblocks 11 aus mehreren gestapelten Brennstoffzellen und zeigt ein T-s-Diagramm für Wasser.
[0025] Unter Bezugnahme auf Fig. 1 werden die Eigenschaften und der Aufbau einer Brennstoffzelle 3 einerseits im Allgemeinen, und andererseits spezifisch im Zusammenhang mit der gegenständlichen Erfindung beschrieben.
[0026] Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Brennstoffzelle 3 ist eine PEM-Brennstoffzelle (englisch: „Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell - PEMFC), die auch als „Solid Polymer Fuel Cell - SPFC oder „Polymer Electrolyte Fuel Cell - PEFC bezeichnet wird. Die Brennstoffzelle 3 arbeitet je nach verwendetem Elektrolyt im Temperaturbereich von Zimmertemperatur bis etwa 80 °C, wobei kurzfristig Temperaturspitzen von bis zu 95°C möglich sind, (Niedertemperatur-PEMFC bzw. LT-PEMFC) oder 130 bis 200°C (Hochtemperatur-PEMFC bzw. HTPEMFC). Zwischen HT-PEMFC und LT-PEMFC gibt es noch MT-PEMFC (Mittel TemperaturPEMFC). Diese arbeitet in Temperaturbereichen von etwa 100 °C - 130°C. Die Übergänge zwischen diesen Typen von Brennstoffzellen sind jedoch fließend, sodass eine scharfe Abgrenzung nicht immer möglich ist.
[0027] Die Brennstoffzelle 3 besteht im Wesentlichen aus einer zentralen protonenleitenden Membran 12, an deren erster Seitenfläche (dies ist die Wasserstoffseite - im Fig. 1 links dargestellt) eine Anode 13 angeordnet ist, und an deren gegenüberliegender zweiter Seitenfläche eine Kathode 14 angeordnet ist.
[0028] Auf der Seite der Anode 13 wird über eine erste Prozessgaszuführung 6 ein erstes Prozessgas 1 über eine erste Verteileinheit 17 und eine erste Gasdiffusionslage 15 der Anode 13 zugeführt. Das erste Prozessgas 1 (Edukt) ist zum Beispiel Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas. Es können auch Kohlenwasserstoffverbindungen (Ethanol, Methanol, Methan / Erdgas, etc.) zugeführt werden. Dazu ist eine interne (in der Brennstoffzelle) oder externe (als eigene Einheit) Reformierung des Kohlenwasserstoffs notwendig.
[0029] Auf der Seite der Kathode 14 wird über eine zweite Prozessgaszuführung 7 ein zweites Prozessgas 2 über eine zweite Verteileinheit 18 und eine zweite Gasdiffusionslage 16 der Kathode 14 zugeführt. Das zweite Prozessgas 2 ist oder enthält Sauerstoff. Als zweites Prozessgas 2 kann z.B. Luft verwendet werden.
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AT519 349 B1 2018-06-15 österreichisches patentamt [0030] Um das erste Prozessgas 1 zu befeuchten, ist an der ersten Prozessgaszuführung 6 eine erste Befeuchtungseinheit 8 vorgesehen, über die ein erstes Befeuchtungsmittel 4 dosiert in den Strom des ersten Prozessgases 1 eingebracht werden kann. Ebenso ist zur Befeuchtung des zweiten Prozessgases 2 an der zweiten Prozessgaszuführung 7 eine zweite Befeuchtungseinheit 9 vorgesehen, über die ein Befeuchtungsmittel 5 dosiert in den Strom des ersten Prozessgases 1 eingebracht werden kann.
[0031] Als erstes Befeuchtungsmittel 4 und/oder zweites Befeuchtungsmittel 5 wird erfindungsgemäß überkritisches Wasser verwendet, welches den Befeuchtungseinheiten 8, 9 von zumindest einer Wasseraufbereitungseinheit 24 bereitgestellt werden kann. Die Wasseraufbereitungseinheit 24 bringt Wasser auf einen überkritischen Zustand und stellt es den Befeuchtungseinheiten 8, 9 bereit. Vorzugsweise wird hochreines Wasser verwendet, um zu vermeiden, dass Verunreinigungen die Brennstoffzelle oder die Wasseraufbereitungseinheit, schädigen. Die Menge des von den Befeuchtungseinheiten 8, 9 abgegebenen überkritischen Wassers kann mittels Messeinrichtungen 26, 26‘ ermittelt werden. Alternativ zu dieser zentralen Wasseraufbereitung kann das Wasser auch dezentral für jede Befeuchtungseinheit auf überkritischen Zustand gebracht werden.
[0032] Das Befeuchtungsmittel strömt über eine Drossel 27, 27‘ in die jeweilige Prozessgaszuführung 7, 8, wobei die Form der Drossel 27, 27‘ nach Bedarf optimiert sein kann, beispielsweise in Form einer Blende, Düse oder als Injektor. Der Einströmvorgang über die Drossel 27, 27‘ kann als im Wesentlichen isenthalp bezeichnet werden.
[0033] Die Einheit aus protonenleitender Membran 12, erster Gasdiffusionslage 15, zweiter Gasdiffusionslage 16, erster Verteileinheit 17 und zweiter Verteileinheit 18 wird im Zusammenhang mit der gegenständlichen Offenbarung als eine Brennstoffzelle 3 bezeichnet. Wie dies dem Fachmann bewusst ist, können mehrere Brennstoffzellen 3 zu einem Zellenblock 11 zusammengefasst werden, wobei ein Zellenblock 11 aus mehreren Brennstoffzellen 3 eine gemeinsame erste Prozessgaszuführung 6 und eine gemeinsame zweit Prozessgaszuführung 7 aufweisen kann.
[0034] In Fig. 2 ist ein solcher aus mehreren Brennstoffzellen 3 bestehender Zellenblock 11 schematisch dargestellt. Die jeweiligen Verteileinheiten 17, 18 zwischen zwei aneinanderliegenden Brennstoffzellen 3 sind in an sich bekannterWeise als Bipolarplatten 19 ausgebildet, die an beiden Seiten Strömungsnuten aufweisen, in denen das jeweilige Prozessgas 1, 2 zu den daneben angeordneten Gasdiffusionslagen 15, 16 geleitet wird. In den Bipolarplatten 19 können gegebenenfalls noch Kühlmittelkanäle verlaufen, diese sind jedoch der Übersichtlichkeit halber in Fig. 2 nicht dargestellt. Das erste Prozessgas 1 wird in die in Fig. 2 von oben nach unten verlaufenden Strömungsnuten 20 eingeleitet, das zweite Prozessgas 2 wird in die in Fig. 2 horizontal verlaufenden Strömungsnuten 21 eingeleitet, die sich an jeder Bipolarplatte 19 an der den vertikalen Strömungsnuten 20 gegenüberliegenden Seite befinden. Die Einheit aus Zellenblock 11 mit den daran vorgesehenen Prozessgaszuführungen 6, 7 und Befeuchtungseinheiten 8, 9 bildet eine Energieumwandlungseinheit 10 aus.
[0035] Als erstes und zweites Befeuchtungsmittel 4, 5 wird von den beiden Befeuchtungseinheiten 8, 9 erfindungsgemäß überkritisches Wasser in den Strom des jeweiligen Prozessgases eingespritzt. Die Drosseln der Befeuchtungseinheiten 8, 9 sind als Injektoren 22, 23 ausgebildet, wodurch die Menge an eingeleitetem Befeuchtungsmittel 4, 5 schnell regelbar und skalierbar ist.
[0036] Beim Befeuchten von Prozessgasen 1, 2 sind ganz allgemein folgende Bedingungen zu berücksichtigen:
[0037] · Flüssigkeiten lassen sich besser dosieren als Gase.
[0038] · Beim Phasenübergang vom flüssigen zu gasförmigen Aggregatzustand, als Verdampfung bezeichnet, wird der Umgebung Energie entnommen (endotherme Reaktion).
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AT519 349 B1 2018-06-15 österreichisches patentamt [0039] · Die Verdampfungsenthalpie ist eine Funktion der Temperatur und nimmt mit steigender
Temperatur ab.
[0040] · Im kritischen Punkt ist die Verdampfungsenthalpie = 0.
[0041] · Verdampfen kann durch Sieden oder Verdunsten stattfinden.
[0042] · Verdunstung einer Flüssigkeit findet statt, wenn der temperaturabhängige Sättigungsdampfdruck der Substanz im umgebenden Gas höher ist als der aktuelle Partialdruck dieser Substanz im Gas.
[0043] · Sieden findet statt wenn der temperaturabhängige Sättigungsdampfdruck der Flüssigkeit höher ist als der Druck der umgebenden Gasphase.
[0044] · Im Nassdampfgebiet existiert flüssiges und gasförmiges Wasser nebeneinander.
[0045] Bei dem gegenständlichen Verfahren wird den Prozessgasen der Brennstoffzelle direkt über einen Injektor 22, 23 überkritisches Wasser (Englisch: Super Critical Water - SCW) beigemengt. Dieses wandelt sich dabei unmittelbar (d.h. ohne dass dazu eine Enthalpieänderung erforderlich wäre) in den gasförmigen Zustand um, ohne dass sich dabei flüssiges Wasser, z.B. in Form von Wassertröpfchen, bilden würde.
[0046] Dabei werden zwei Umstände genutzt: Erstens lässt sich die Dichte von überkritischem Wasser einfach ermitteln, sodass die Dosierbarkeit von überkritischem Wasser mit der Dosierbarkeit von flüssigem Wasser vergleichbar ist. Die Dichte von überkritischem Wasser liegt etwa zwischen der von flüssigem und der von gasförmigen Wasser, daher können zur Messung Verfahren, wie zum Beispiel das massenstrombestimmende Coriolis-Prinzip, verwendet werden, welche bei höherer Mediendichte bessere Messergebnisse erzielen und daher einen Vorteil aus der höheren Dichte ziehen.
[0047] Zweitens ist die Enthalpieerhöhung zur Verdampfung des Wassers bereits in der inneren Energie des überkritischen Wassers gespeichert. Bei der isenthalpen Entspannung des überkritschen Wassers in das Prozessgas geht dieses direkt in die Gasphase über, der Bereich des Nassdampfes wird vermieden.
[0048] Diese isenthalpe Entspannung ist in Fig. 3, die einT-s-Diagramm von Wasser zeigt, dargestellt. Ausgehend von einem überkritischen Zustand des Wassers (SCW) verläuft die Entspannung entlang einer Isenthalpen 25. Bei einer Enthalpie von etwa über 2800 kJ/kg verläuft diese Isenthalpe 25 vollständig außerhalb des Nassdampfgebiets, sodass sich bei der Entspannung des Wassers, d.h. beim Übergang vom überkritischen zum gasförmigen Aggregatszustand keinerlei flüssiges Wasser bildet.
[0049] Als überkritischer Zustand wird allgemein der Bereich des Wassers oberhalb des kritischen Punkts (der sich im T-s-Diagramm am oberen Scheitelpunkt des Nassdampfgebiets befindet) bezeichnet. Gemäß allgemeiner Definition befindet sich Wasser im überkritischen Zustand, wenn es eine Temperatur von über 647 K und einen Druck von über 22,1 MPa aufweist.
[0050] Die Regelung der Einspritzmenge kann in herkömmlicher Weise erfolgen. Beispielsweise kann die Regelung der Einspritzmenge auf Kennfeldbasis, mit linearen Reglern und/oder über nichtlineare modellbasierte Regelansätze erfolgen.
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BEZUGSZEICHEN:
erstes Prozessgas 1 zweites Prozessgas 2 Brennstoffzelle 3 erstes Befeuchtungsmittel 4 zweites Befeuchtungsmittel 5 erste Prozessgaszuführung 6 zweite Prozessgaszuführung 7 erste Befeuchtungseinheit 8 zweite Befeuchtungseinheit 9 Energieumwandlungseinheit 10 Zellblock 11 protonenleitende Membran 12 Anode 13 Kathode 14 erste Gasdiffusionslage 15 zweite Gasdiffusionslage 16 erste Verteileinheit 17 zweite Verteileinheit 18 Bipolarplatte 19 Strömungsnut 20, 21 Injektor 22, 23
Wasseraufbereitungseinheit 24 Isenthalpe 25 Messeinrichtung 26, 26‘
Drossel 27, 27‘
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Claims (7)

  1. Patentansprüche
    1. Verfahren zur Konditionierung von zumindest einem Prozessgas (1,2), welches zumindest einem elektrochemischen Wandler, insbesondere einer Brennstoffzelle (3), zugeführt wird, wobei das Prozessgas (1,2) mit einem Befeuchtungsmittel (4, 5) befeuchtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Befeuchtungsmittel (4, 5) Wasser im überkritischen Zustand verwendet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das als Befeuchtungsmittel (4, 5) in das Prozessgas (1,2) eingebrachte überkritische Wasser eine spezifische Enthalpie von über 2800 kJ/kg aufweist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Befeuchtungsmittel (4,5) über zumindest eine Befeuchtungseinheit (8, 9) mit einer im Wesentlichen isenthalpen Drossel (27, 27‘), die gegebenenfalls als Injektor (22, 23) ausgebildet ist, in eine Prozessgaszuführung (6,7) eingebracht wird.
  4. 4. Vorrichtung zur Konditionierung von zumindest einem Prozessgas (1,2), welches über zumindest eine Prozessgaszuführung (6, 7) zumindest einem elektrochemischen Wandler, insbesondere einer Brennstoffzelle (3), zugeführt wird, wobei die zumindest eine Prozessgaszuführung (6, 7) eine Befeuchtungseinheit (8, 9) aufweist, mit welcher ein Befeuchtungsmittel (4, 5) in das Prozessgas (1, 2) einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Befeuchtungsmittel (4, 5) Wasser im überkritischen Zustand in das Prozessgas (1,2) einbringbar ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtungseinheit (8,9) einen in die Prozessgaszuführung (6, 7) einmündenden Injektor aufweist.
  6. 6. Energieumwandlungseinheit (10) zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem wasserstoffhaltigen ersten Prozessgas (1) und einem sauerstoffhaltigen zweiten Prozessgas (2) in zumindest einer Brennstoffzelle (3), wobei das erste Prozessgas (1) über eine erste Prozessgaszuführung (6) und das zweite Prozessgas (2) über eine zweite Prozessgaszuführung (7) der zumindest einen Brennstoffzelle (3) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieumwandlungseinheit (10) eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5 aufweist.
  7. 7. Energieumwandlungseinheit (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl an Brennstoffzellen (3) in zumindest einem Zellblock (11) angeordnet ist, wobei jeweils die erste Prozessgaszuführung (6) und/oder die zweite Prozessgaszuführung (7) einer Vielzahl an Brennstoffzellen (3) des Zellenblocks (11) zugeordnet sind.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020104553A1 (de) 2020-02-20 2020-07-09 FEV Software and Testing Solutions GmbH Konditionierungsvorrichtung für Luftversorgung von Brennstoffzellen
CN113074975A (zh) * 2021-03-30 2021-07-06 中氢铭创测控科技(武汉)有限公司 一种燃料电池加湿器测试装置
CN115207401B (zh) * 2022-09-14 2022-12-09 佛山市清极能源科技有限公司 一种燃料电池的氢气引射系统及其控制方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130022883A1 (en) * 2011-07-18 2013-01-24 Hyundai Motor Company Apparatus and method for activating fuel cell stack
EP2639869A1 (de) * 2010-11-12 2013-09-18 Panasonic Corporation Verfahren zum betrieb eines festpolymerbrennstoffzellensystems und festpolymerbrennstoffzellensystem
WO2016001938A1 (en) * 2014-07-03 2016-01-07 Council Of Scientific And Industrial Research Internal humidification in low temperature pem fuel cell by means of a wick

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4581105A (en) * 1984-06-20 1986-04-08 The Dow Chemical Company Electrochemical cell operating near the critical point of water
US6706429B1 (en) * 2000-06-13 2004-03-16 Hydrogenics Corporation Catalytic humidifier and heater, primarily for humidification of the oxidant stream for a fuel cell
JP2002216820A (ja) * 2001-01-15 2002-08-02 Eco Design Kk 超臨界水酸化反応による燃料電池
DE10162202B4 (de) 2001-12-18 2007-12-27 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Kohlenwasserstoff-Reformer
US8038743B1 (en) * 2002-11-27 2011-10-18 Drs Sustainment Systems, Inc. Systems and methods for supercritical water reformation of fuels and generation of hydrogen using supercritical water
JP2005044651A (ja) * 2003-07-23 2005-02-17 Nissan Motor Co Ltd 水素リッチガスの製造方法
JP2005097093A (ja) * 2003-08-20 2005-04-14 Chubu Electric Power Co Inc 燃料改質方法および燃料改質装置
JP3955017B2 (ja) * 2003-12-05 2007-08-08 三洋電機株式会社 燃料電池システム
EP2026901B1 (de) 2006-04-07 2017-02-22 Chart Industries, Inc. Überkritisches verfahren, reaktor und system für wasserstoffproduktion
KR100819969B1 (ko) * 2006-11-13 2008-04-07 현대자동차주식회사 연료전지 자동차의 가습 시스템
KR101575416B1 (ko) 2013-11-29 2015-12-21 현대자동차주식회사 연료전지 냉각장치와 이를 이용한 냉각방법
JP6133365B2 (ja) * 2014-08-01 2017-05-24 本田技研工業株式会社 燃料電池システムの運転方法
JP6363471B2 (ja) * 2014-10-31 2018-07-25 株式会社東芝 水素製造装置及び水素製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2639869A1 (de) * 2010-11-12 2013-09-18 Panasonic Corporation Verfahren zum betrieb eines festpolymerbrennstoffzellensystems und festpolymerbrennstoffzellensystem
US20130022883A1 (en) * 2011-07-18 2013-01-24 Hyundai Motor Company Apparatus and method for activating fuel cell stack
WO2016001938A1 (en) * 2014-07-03 2016-01-07 Council Of Scientific And Industrial Research Internal humidification in low temperature pem fuel cell by means of a wick

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