DE102005056181B4

DE102005056181B4 - Brennstoffzellensystem mit einer Wärmetauschanordnung und ein Verfahren zum Kühlen eines Auslassstromes einer Brennstoffzelle unter Verwendung einer Wärmetauschanordnung

Info

Publication number: DE102005056181B4
Application number: DE102005056181A
Authority: DE
Inventors: Dr. Bronold Matthias; Stefan Mergel; Mario BREITHECKER
Original assignee: Samsung SDI Germany GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Germany GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2005-11-18
Filing date: 2005-11-18
Publication date: 2012-12-13
Anticipated expiration: 2025-11-19
Also published as: KR20070053108A; DE102005056181A1; KR100845574B1

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem mit einer Wärmetauschanordnung zur Kühlung eines Auslassstromes einer Brennstoffzelle, wobei die Wärmetauscheranordnung einen Wärmetauscher (50) und eine Ventilationseinheit (55), zur Erzeugung eines Kühlluftstroms durch besagten Wärmetauscher (50) hindurch, umfasst, wobei die Ventilationseinheit (55) ein kreisförmiges Ventilationsmittel (56) und ein Gehäuse (57) umfasst, der Wärmetauscher (50) eine Breite (113) aufweist, die sich in die y-Richtung erstreckt, eine Tiefe (114), die sich in die x-Richtung erstreckt, eine Höhe (115), die sich in die z-Richtung erstreckt, eine Vorder- und eine Rückseite, begrenzt durch eine Ebene, die sich in der y-z Ebene erstrecken, und zwei Seiten, begrenzt durch Ebenen, die sich in der x-z Ebene erstrecken, wobei der Wärmetauscher (50) umfasst: – eine Einlassverzweigung (102) mit einer Einlassöffnung (101), die sich in der x-Richtung erstreckt, wobei der Einlass (101) mit einem Kathodenauslass (13) eines Brennstoffzellenstacks (10) eines Brennstoffzellensystems verbunden ist, – eine Auslassverzweigung (104) mit einer Auslassöffnung (103), die sich...

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Wärmetauschanordnung und einem Verfahren zum Kühlen des Abgasstroms einer Brennstoffzelle unter Verwendung einer Wärmetauscheranordnung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Wärmetauscher, die als Wasserkondensatoren in Brennstoffzellensystemen eingesetzt werden, speziell in Direktmethanol-Brennstoffzellensystemen (DMFC), die als Energiequelle für mobile elektronische Geräte dienen.
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die Elektrizität aus einem externen Brennstoffvorrat aus Wasserstoff und Sauerstoff generiert. Typische Reaktanten, die in einer Brennstoffzelle verwendet werden, sind Wasserstoff auf der Anodenseite und Sauerstoff auf der Kathodenseite. Brennstoffzellen werden wegen ihrer hohen Effizienz und ihrer im Idealfall emissionsfreien Verwendung als sehr attraktiv für moderne Anwendungen angesehen. Im Prinzip ist das einzige Abfallprodukt der Wasserstoffbrennstoffzelle Wasserdampf. Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, jede verwendet eine verschiedene Chemie. Brennstoffzellen werden üblicherweise durch die Art des verwendeten Elektrolyts klassifiziert. Einige Arten von Brennstoffzellen sind sehr gut für die Verwendung in stationären Energiekraftwerken geeignet. Andere können für kleine transportable Anwendungen oder für den Antrieb von Autos geeignet sein.
In einer Wasserstoff/Sauerstoff-Protonenaustauchmembran-(oder Polymerelektrolyt)-Brennstoffzelle (PEMFC) („proton exchange membrane fuell cell”) trennt eine protonenleitende Polymermembran die Anoden- und Kathodenseite.
Jede Seite weist eine Elektrode auf, typischerweise Kohlepapier beschichtet mit einem Platinkatalysator. Auf der Anodenseite diffundiert Wasserstoff zum Anodenkatalysator, wo es in Protonen und Elektronen dissoziiert. Die Protonen werden durch die Membran zur Kathode geleitet, wohingegen die Elektronen gezwungen werden, zur Stromerzeugung in einen externen Stromkreis zu fließen, weil die Membran elektrisch isolierend ausgebildet ist. Am Kathodenkatalysator reagieren Sauerstoffmoleküle mit den Elektronen, die durch den externen Stromkreis geflossen sind, und den Protonen zur Bildung von Wasser. In diesem Beispiel ist das einzige Abfallprodukt Wasserdampf und/oder flüssiges Wasser.
Andere Brennstoffe sind Erdgas, Propan und Methanol. Methanol ist ein flüssiger Brennstoff, der einfach zu transportieren und zu verteilen ist, so dass Methanol ein wahrscheinlicher Kandidat für den Betrieb von mobilen Geräten ist. Eine Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC) beruht auf der Oxidation von Methanol auf einer Katalysatorschicht, wobei Kohlendioxid gebildet wird. Wasser wird an der Anode verbraucht und an der Kathode produziert. Protonen (H⁺) werden durch die protonenleitende Membran zur Kathode transportiert, wo sie dann mit Sauerstoff zur Produktion von Wasser reagieren. Die Elektronen werden über einen externen Stromkreis von der Anode zur Kathode transportiert, wodurch Energie für externe Geräte zur Verfügung gestellt wird. DMFCs haben den Vorteil, dass sie nicht der Verwendung eines Reformers bedürfen, um Wasserstoff aus dem Brennstoff zu gewinnen. Dies erlaubt es, DMFCs kompakt zu gestalten, z. B. für Mobilfunkgeräte.
Im Detail besteht eine DMFC aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolytfilm, der zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Eine wässrige Methanollösung wird als Brennstoff eingesetzt. Ein Brennstofftank ist mit der Brennstoffzelle verbunden, um die Anode mit Brennstoff zu versorgen. Eine Luftzufuhr führt der Kathode Luft zu. Ein Wärmetauscher ist mit dem Kathodenabstrom zur Kühlung des Abgasstromes, zur Kondensation von Wasser aus dem Abgas verbunden und zur Abgabe von Wasser, damit es mit dem Brennstoff vermischt werden kann. Das kondensierte Wasser wird wieder in Umlauf gebracht, dem Brennstofftank zugeführt und wiederverwendet. Der Brennstoff muss nicht schon von vornherein mit Wasser verdünnt werden, wodurch eine weitere Größenminimierung der Brennstoffzelle erreicht wird.
DMFC-Systeme sind in der US 20040166389 A1 und der US 20040062964 A1 offenbart. Letztere bezieht sich auf das Problem des Kondensierens von Wasser im Wärmetauscher eines DMFC-Systems, um es vom Abgasstrom der Brennstoffzelle zu trennen und das Wasser wieder in Umlauf zu bringen und mit dem Brennstoff zu vermischen.
Jedoch benötigen solche miniaturisierten Brennstoffzellen effiziente Wärmetauscher, um Schäden zu vermeiden. Aus Korrosionsgründen wird rostfreier Stahl am häufigsten als Wärmetauschermaterial von Brennstoffzellen eingesetzt. Gemäß dem Stand der Technik werden verschiedene Wärmetauschertypen zu diesem Zweck eingesetzt. In plattenartigen Wärmetauschern werden der Kathodenabstrom und der Kühlluftstrom über gegenüberliegende Seitenflächen einer rostfreien Stahlplatte geführt, wobei Wärme durch die Platten ausgetauscht wird. Eine gewisse Anzahl von Platten sind übereinander gestapelt, um die Austauschfläche zu vergrößern. Dieser Wärmetauschertyp hat das Problem der schwierigen Integration eines Kühllüfters, da der Kühlluftstrom eine uneinheitliche geometrische Verteilung aufweist. Es bedarf zusätzlichen Raumes zur Lenkung des Stroms, was zu einer massigen Vorrichtung führt.
Ein anderer verwendeter Typ von Wärmetauschern ist von röhrenförmiger Art. Hierbei ist eine Röhre serpentinenartig gewunden. Es gibt Beschränkungen der Länge dieser Rohre und somit auch ihrer Oberfläche, da ein vertretbare Druckabfall des Kühlstroms nicht überschritten werden darf. Um die Wärmeaustauschrate des Kühlstroms zu erhöhen werden Metalllamellen zwischen den Röhren eingeführt, damit die Austauschoberfläche vergrößert wird. Nichtsdestotrotz ist die Leistung dieser Art von Vorrichtungen aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Wärmetauschermaterials, hauptsächlich rostfreier Stahl, eher schlecht.
Andere röhrenartige Wärmetauscher verwenden mehrere Parallelröhren, die durch Register zusammengehalten werden, die an den Enden der Röhren befestigt sind und den Strom von einer Röhre zur nächsten führen. Diese Ausgestaltung ist nachteilig, da die Register einen beträchtlichen Raum beanspruchen, der nicht für den Wärmeaustausch verwendet werden kann. Des Weiteren ist die Anordnung der Röhren mit Registern kostspielig. Aus JP 63282490 A und JP 07310988 A sind solche serpentinenartigen Wärmetauscher bekannt. So wird zum Beispiel in JP 63282490 A das Innere der Röhren wird von einem Kühlmittel durchströmt, welches die Umgebung kühlt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmetauschanordnung und ein Verfahren zur Kühlung des Abgasstroms einer Brennstoffzelle unter Verwendung einer Wärmetauschanordnung anzugeben, welche die Effizienz des Wärmeaustauschs in Brennstoffzellensystemen erhöht. Eine weitere Aufgabe ist es, einen Wärmetauscher für Brennstoffzellensysteme und ein Verfahren zur Kühlung des Abgasstroms einer Brennstoffzelle anzugeben, insbesondere für DMFC-Systeme, welcher ein minimiertes Volumen bei gegebener Wärmeaustauschkapazität und einen geringen Druckabfall, in Bezug auf sowohl den Kathodenstrom als auch die Kühlluft, aufweist.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils der Ansprüche 1 und 16 zusammen mit den Merkmalen der Oberbegriffe der Ansprüche umgesetzt. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Demzufolge umfasst ein Brennstoffzellensystem eine Wärmetauschanordnung zur Kühlung eins Auslassstromes einer Brennstoffzelle mit einem Wärmetauscher und einer Ventilationseinheit zur Erzeugung eines Kühlluftstroms durch besagten Wärmetauscher hindurch. Die Ventilationseinheit ein kreisförmiges Ventilationsmittel und ein Gehäuse umfasst, und der Wärmetauscher eine Breite aufweist, die sich in die y-Richtung erstreckt, eine Tiefe, die sich in die x-Richtung erstreckt, eine Höhe, die sich in die z-Richtung erstreckt, eine Vorder- und eine Rückseite, begrenzt durch eine Ebene, die sich in der y-z Ebene erstrecken, und zwei Seiten, begrenzt durch Ebenen, die sich in der x-z Ebene erstrecken, wobei der Wärmetauscher eine Einlassverzweigung mit einer Einlassöffnung umfasst, die sich in der x-Richtung erstreckt, wobei der Einlass (101) mit einem Kathodenauslass (13) eines Brennstoffzellenstacks (10) eines Brennstoffzellensystems verbunden ist, eine Auslassverzweigung mit einer Auslassöffnung, die sich in der x-Richtung erstreckt und von der Einlassverzweigung räumlich getrennt ist, wobei besagte Auslassverzweigung (104) als ein Wasserabscheider (60) realisiert ist, zur Trennung von kondensiertem Wasser vom Medium, das durch den Wärmetauscher (50) strömt, und in direktem Kontakt mit den Auslassenden der Wärmetauschelemente (105) ausgebildet ist, und eine Mehrzahl von hohlen Wärmetauschelementen, die einen Strom eines in ihnen beinhalteten Mediums von der Einlassverzweigung zur Auslassverzweigung ermöglichen, wobei die Wärmetauschelemente sich vom Einlass zum Auslass in der y-z Ebene serpentinenartig ausdehnen, und parallel zueinander in der x-Richtung und derart räumlich getrennt voneinander angeordnet sind, dass ein Leerraum zwischen den Wärmetauschelementen gebildet wird, wobei die Wärmetauschelemente ferner erste Abschnitte umfassen, die sich in der z-Richtung erstrecken, und zweite Abschnitte, die aufeinanderfolgende erste Abschnitte miteinander verbinden, wobei besagte Ventilationseinheit sich parallel zu den Seiten des Wärmetauschers in der x-z Ebene erstreckt, der Kühlstrom, der durch den Leerraum zwischen den Wärmetauschelementen strömt, in der dem Strom des Mediums innerhalb der Wärmetauschelemente entgegengesetzten Richtung fließt, und wobei der Durchmesser des Ventilationsmittels einen Wert aufweist, der wenigstens 66% des kleineren Wertes von entweder der Tiefe oder der Höhe des Wärmetauschers entspricht.
Bevorzugt weist der Durchmesser des Ventilationsmittels oder Lüfters einen Wert auf, der wenigstens 80%, noch bevorzugter 90%, noch bevorzugter 95% des kleineren Wertes von entweder der Tiefe oder der Höhe des Wärmetauschers entspricht.
Zur Erlangung eines maximalen Kühleffekts ist der Kühllüfter am Wärmetauscher in einer Gegenstromanordnung befestigt, d. h. die Kühlluft fließt von dem Auslass zum Einlass des Wärmetauschers.
Um die Kühleffizienz des Wärmetauschers weiter zu erhöhen, weist der Querschnitt der besagten ersten Abschnitte eine Hauptachse parallel zum Kühlluftstrom auf, die eine größere Länge als die zweite Achse senkrecht zum Kühlluftstrom hat. Insbesondere weist der Querschnitt der besagten ersten Abschnitte eine ovale Form auf, wobei die Hauptachse des Ovals parallel zum Kühlluftstrom angeordnet ist.
Die Ventilationseinheit kann als Lüfter oder als Gebläse realisiert sein. Sie kann, z. B. ein Axiallüfter oder ein Radialgebläse sein. In einem Ausführungsbeispiel ist die Ventilationseinheit als Lüfter oder Gebläse realisiert, und an einer stromabwärtigen Seite des Wärmetauschers angeordnet, wobei die stromabwärtige Seite durch die Richtung des Stroms des Mediums innerhalb der Wärmetauschelemente definiert ist, zum Anblasen von Luft von einer stromabwärtigen Seite zu einer stromaufwärtigen Seite des Wärmetauschers. Die stromaufwärtige Seite ist die Seite des Wärmetauschers, die mit dem Einlass verbunden ist. Die stromabwärtige Seite des Wärmetauschers ist mit dem Auslass verbunden. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist ein Lüfter oder ein Gebläse an der stromaufwärtigen Seite des Wärmetauschers zum Ansaugen von Luft von der stromabwärtigen Seite zu der stromaufwärtigen Seite angeordnet.
Die Wärmetauschelemente sind zur Aufnahme des Abgasstroms eines Brennstoffzellenstacks eines Brennstoffzellensystems hohl ausgebildet. Bevorzugt weisen die Wärmetauschelemente eine röhrenförmige Struktur auf.
Um kürzere u-förmige Abschnitte zu haben, bestehen die zweiten Abschnitte des Wärmetauschelementes aus im Wesentlichen zwei rechten Winkeln. Jedoch können die zweiten Abschnitte der Röhren auch eine ovale Form aufweisen, u-förmig oder als eine gerade Röhre. Die Verbindungen zwischen den ersten und den zweiten Abschnitten bilden vorteilhafterweise rechte Winkel, d. h. die Mittelachse der ersten Abschnitte schneidet die Mittelachse der zweiten Abschnitte im rechten Winkel.
Bevorzugt ist das Brennstoffzellensystem ein Direktmethanol-Brennstoffzellensystem.
Entsprechend umfasst das Verfahren zur Kühlung eines Auslassstromes einer Brennstoffzelle unter Verwendung einer Wärmetauschanordnung gemäss Anspruch 1 die folgenden Schritte: Führen eines Auslassstromes einer Brennstoffzelle in den Einlass eines Wärmetauschers; Führen des Stromes von den Einlassenden eines serpentinenartigen Wärmetauschelements des Wärmetauschers zum Auslassende, welches zu einem Kühleffekt des besagten Stromes führt; und Verstärken besagten Kühleffekts des geführten Stromes durch Erzeugung eines Kühlluftstroms um die besagten Wärmetauschelemente herum, von besagter stromabwärtigen Seite zu der stromaufwärtigen Seite des Wärmetauschers.
Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt der Kondensation von Wasser innerhalb des Wärmetauschers. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt des Trennens des kondensierten Wassers und des Luftstromes in einem Wasserabscheider, der in direktem Kontakt mit den Auslassenden der Wärmetauschelemente des Wärmetauschers steht. Dieses Wasser kann dann wieder in den Umlauf gebracht werden und zusammen mit dem Brennstoff aus dem Brennstofftank wiederverwendet werden.
Das Verfahren umfasst ferner den Schritt der Erhöhung des Kühleffektes im Wärmetauscher, durch Ausbildung des Querschnitts der besagten ersten Abschnitte mit einer Hauptachse parallel zum besagten Strom der Kühlluft, die eine größere Länge als die zweite Achse senkrecht zu besagten Strom der Kühlluft aufweist.
Der Wärmetauscher für ein Brennstoffzellensystem gemäss der vorliegenden Erfindung minimiert somit das Volumen bei einer gegebenen Wärmeaustauschkapazität, erzeugt einen geringen Druckabfall des Kathodenstromes durch die multiplen, parallelen Wärmeaustauschelemente, die durch Verzweigungen verbunden sind, ebenso wie für die Kühlluft durch das stromlinienförmige äußere Profil der Wärmetauschelemente, und weist eine gute Konnektivität zum Kühllüfter auf.
Die Erfindung wird durch die folgenden Ausführungsbeispiele zusammen mit den beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben werden.
1: zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenzuführsystems, welches eine Wärmtauscheranordnung der vorliegenden Erfindung verwendet.
2: ist eine schematische Darstellung einer Wärmtauscheranordnung gemäss der vorliegenden Erfindung in einem ersten Ausführungsbeispiel.
3: ist eine schematische Zeichnung einer Seitenansicht des Wärmetauschers aus 2.
4: ist eine schematische Darstellung einer Wärmtauscheranordnung gemäss der vorliegenden Erfindung in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
5: ist eine schematische Darstellung einer Wärmtauscheranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung in einem dritten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt eine schematische Zeichnung eines Brennstoffzellenzuführsystems, welches eine Wärmtauscheranordnung der vorliegenden Erfindung verwendet. Das Brennstoffzellensystem ist als ein Direktmethanolbrennstoffzellensystem (DMFC) realisiert. Ein Brennstoffzellenstack 10 weist einen Lufteinlass 11 und einen Luftauslass 13 auf. Die Luftpumpe oder der Lüfter 12 führen Reaktionsluft der Stackkathode durch den Lufteinlass 11 zu. Ein Anodenzyklus für verwässerten Brennstoff, bestehend aus einem CO₂-Abscheider 20, der stromabwärts vom Stackbrennstoffauslass 16 angeordnet ist, entfernt CO₂ aus dem Reaktionsstrom und gibt es durch eine Entlüftungsöffnung 21 in die Umgebung ab. In einem Mischer 22 wird der Brennstoffstrom mit reinem Brennstoff aus dem Brennstofftank 30 gemischt. Eine Brennstoffpumpe 23 befördert den verdünnten Brennstoff zurück in den Brennstoffeinlass 15 des Stacks.
Der Wärmetauscher 50 ist im Ablassstrom der Brennstoffzellenkathode angeordnet. Eine Ventilationseinheit 55, z. B. ein Lüfter, wird zur Kühlung des Wärmetauschers verwendet, was zu einer Kühlung des Ablassstroms und der Kondensation von Wasser führt. Dieser Zweiphasenstrom verlässt den Wärmetauscher am Auslass 52. Die Ventilationseinheit 55 und der Wärmetauscher 50 bilden die Wärmetauschanordnung gemäss der vorliegenden Erfindung. Stromabwärts vom Wärmetauscher ist ein Wasserabscheider 60 angeordnet, um flüssiges Wasser aus dem Ablassstrom abzuscheiden. Das abgeschiedene Wasser wird dann zurück in den Anodenzyklus des Brennstoffzellensystems mittels einer Kondensationspumpe 70 gefördert, wobei die übrige Luft durch den Auslass 61 in die Umgebung abgegeben wird.
2 ist eine schematische Zeichnung der Wärmetauscheranordnung gemäss der Erfindung in einem ersten Ausführungsbeispiel. 2 weist ein Koordinatensystem zur Illustration des Ausführungsbeispiels auf. Die Ebene des Papiers entspricht der y-z Ebene, die x-Richtung zeigt von dem Betrachter weg in das Papier hinein.
Die Wärmetauschanordnung des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung umfasst einen Wärmetauscher 50 und eine Ventilationseinheit 55. Die Ventilationseinheit 55 wird dazu verwendet, einen Kühlluftstrom durch besagten Wärmetauscher 50 hindurch zu erzeugen, und umfasst ein Ventilationsmittel 56 sowie ein Gehäuse 57. Das Gehäuse 57 kann dabei rechteckig oder quadratisch ausgeführt sein. Das Ventilationsmittel 56 ist im Gehäuse 57 der Ventilationseinheit 55 angeordnet und kann ein Lüfter oder ein Gebläse sein.
Der Wärmetauscher 50 ist von drei-dimensionaler Struktur und hat eine Breite 113, die sich in der y-Richtung erstreckt, wie in 2 gezeigt, eine Tiefe 114, die sich in der x-Richtung erstreckt, und eine Höhe 115, sich in der z-Richtung erstreckend. Er weist eine Vorder- und eine Rückseite auf, wobei beide durch eine Ebene gebunden sind und sich in der y-z Ebene erstrecken. Die beiden Seitenflächen 50 des Wärmetauschers 50 erstrecken sich in der x-z Ebene. Der Wärmetauscher 50 umfasst eine Einlassverzweigung 102 mit einer Einlassöffnung 101, sich in der x-Richtung erstreckend, und eine Auslassverzweigung 104 mit einer Auslassöffnung 103, die sich in der x-Richtung erstreckt und von der Einlassverzweigung 102 räumlich getrennt ist.
Der Wärmetauscher 50 umfasst ferner eine Mehrzahl von Wärmetauschelementen 105. Die Wärmetauschelemente 105 weisen eine hohle Struktur auf. Die Hohlstruktur erlaubt es einem Medium, welches in den Wärmetauschelementen 105 beinhaltet ist, von der Einlassverzweigung 102 zur Auslassverzweigung 104 zu fließen. Die Wärmetauschelemente 105 erstrecken sich vom Einlass 101 zum Auslass 103 in der y-z Ebene serpentinenartig. Die Elemente 105 sind parallel zueinander in der x-Richtung und räumlich getrennt voneinander angeordnet, wodurch ein Leerraum zwischen den Wärmetauschelementen 105 gebildet wird. Bevorzugt sind die Wärmeaustauschelemente 105 selbsttragend ausgebildet. Daher ist es nicht nötig, Stützebenen oder andere Stützstrukturen vorzusehen. Dies stellt die Bildung eines größtmöglichen Leerraums zwischen benachbarte Wärmeaustauschelemente 105 sicher. Dieser Leerraum ist notwendig, um einen ausreichenden Strom von Kühlluft, erzeugt durch die Ventilationseinheit 55, durch den Wärmetauscher 50 hindurch zu ermöglichen. Diese Elemente 105 umfassen erste Abschnitte 106, die sich in der z-Richtung erstrecken, und zweite Abschnitte 107, die aufeinanderfolgende erste Abschnitte 106 miteinander verbinden. Die ersten Abschnitte 106 in 2 sind aufrecht stehend angeordnet. Jedes Element 105 weist eine Vielzahl von ersten Abschnitten 106 auf. Sie sind räumlich getrennt voneinander angeordnet. Jedes Paar von benachbarten ersten Abschnitten 106 wird durch die zweiten Abschnitte 107, die sich im Wesentlichen in der y-Richtung ausdehnen, miteinander verbunden, wodurch die serpentinenartige Struktur der Wärmetauschelemente 105 erzeugt wird. Diese Struktur ermöglicht einen effizienten Wärmeaustausch durch die Bereitstellung einer großen Oberfläche für den Wärmetausch.
Der Wärmetauscher 50 führt Wärme des Mediums ab, das durch seine Wärmetauschelemente 105 fließt. In der vorliegenden Erfindung dringt der Abgasstrom der Brennstoffzelle 10 in die Einlassöffnung 101 des Wärmetauschers 50 ein. Über die Einlassverzweigung 102 wird das Medium in die Wärmetauschelemente 105 verteilt, die mit der Verzweigung 102 verbunden sind. Das Medium fließt dann von der Einlassverzweigung 102 durch die Wärmetauschelemente 105 hindurch zur Auslassverzweigung 104 und zur Auslassöffnung 103. In 2 erfolgt der Nettostrom des Mediums in der y-Richtung, also von rechts nach links. Es ist dabei zu beachten, dass innerhalb der Wärmetauschelemente 105 das Medium durch den ersten Abschnitt 106 aufwärts in die z-Richtung fließt, dann nach links in die y-Richtung durch den zweiten Abschnitt 107, nach unten durch den zweiten ersten Abschnitt 106, wiederum nach links durch den zweiten zweiten Abschnitt 107, danach wieder nach oben durch den dritten ersten Abschnitt 106, etc., wodurch ein Nettostrom des Mediums in die y-Richtung erzeugt wird.
Um den Wärmeaustausch des Wärmetauschers 50 zu erhöhen, ist die Ventilationseinheit 55 parallel zu den Seiten des Wärmetauschers 50 angeordnet und erstreckt sich in der x-z Ebene. Die Ventilationseinheit 55 erzeugt einen Kühlstrom durch den Wärmetauscher 50. Die Kühlluft strömt durch den Leerraum zwischen den Wärmetauschelementen 105, in der dem Strom des Mediums innerhalb der Wärmetauschelemente 105 entgegengesetzten Richtung. Die Ventilationseinheit 55 ist daher in einer Gegenstromanordnung platziert, in Bezug auf den Strom des Mediums in dem Wärmetauscher 50.
Um eine effiziente Kühlung sicherzustellen, weist der Durchmesser des Ventilationsmittels 56 einen Wert auf, der wenigstens 66% des kleineren Wertes von entweder der Tiefe 114 oder der Höhe 115 des Wärmetauschers 50 entspricht. Bevorzugt entspricht der Durchmesser wenigstens 80%, bevorzugter 90%, noch bevorzugter 95% des kleineren Wertes von entweder der Tiefe 114 oder der Höhe 115 des Wärmetauschers 50. Der Durchmesser überschreitet bevorzugt nicht 150% des größeren Wertes von entweder der Tiefe 114 oder der Höhe 115, bevorzugter 120%, noch bevorzugter 100%.
In einem ersten Ausführungsbeispiel, wie in 2 gezeigt, ist die Ventilationseinheit 55 als Lüfter oder Gebläse realisiert, angeordnet auf einer stromabwärtigen Seite des Wärmetauschers 50. Die stromaufwärtige Seite ist als die Seite des Wärmetauschers 50 definiert, die mit dem Einlass 101 verbunden ist. Korrespondierend ist die stromabwärtige Seite die Seite des Wärmetauschers 50, die mit dem Auslass 103 verbunden ist. Die Ventilationseinheit 55 erzeugt einen Strom von Kühlluft von einer stromabwärtigen Seite zu einer stromaufwärtigen Seite des Wärmetauschers 50, wie in 2 gezeigt. Um Platz zu sparen, ist die Ventilationseinheit 55 direkt neben der stromabwärtigen Seite des Wärmetauschers 50 arrangiert.
3 zeigt eine Seitenansicht des Wärmetauschers 50 der 2. Die Höhe 115 des Wärmetauschers 50 ist definiert als der Abstand zwischen dem oberen Ende der Wärmetauschelemente 105 und dem oberen Ende der Auslassverzweigung 102, d. h. dem Ort, an dem der untere Teil eines Wärmetauschelements 105 in die Einlassverzweigung 102 übergeht. Die Tiefe 114 des Wärmetauschers 50 ist definiert als Entfernung zwischen der äußeren Kante eines ersten Wärmetauschelements 105 und der äußeren Kante eines letzten Wärmetauschelements 105 des Wärmetauschers 50.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel, wie in 4 gezeigt, ist die Ventilationseinheit 56 als Radiallüfter oder -gebläse realisiert, der auf der stromaufwärtigen Seite des Mediums des Wärmetauschers 50 angeordnet ist und Luft zur Bildung eines Kühlluftstromes von der stromabwärtigen Seite zur stromaufwärtigen Seite des Abgasstroms in den Wärmetauschelementen 105 ansaugt, und der bevorzugt die Luft in senkrechter Richtung nach oben, d. h. in senkrechter Richtung, ausbläst.
Ohne Einschränkung kann das Ventilationsmittel 56 der Ventilationseinheit 55 einen Lüfter oder ein Gebläse umfassen, z. B. einen Axiallüfter oder ein Radialgebläse oder jede andere Vorrichtung, die dazu geeignet ist, einen räumlich ausgedehnten Luftstrom zu erzeugen.
Der Strom des Abgases aus dem Brennstoffzellenstack 10 verbunden mit dem Einlass 101 des Wärmetauschers 50 strömt in die positive y-Richtung, wohingegen der Kühlluftstrom in die negative y-Richtung, wie in 4 angedeutet, fließt. Die Auslassöffnung 103 ist mit dem Wasserabscheider 60 verbunden. Während des Strömens des Gases vom Einlass 101 über die Verzweigung 102 durch die Vielzahl von Wärmeaustauschelementen 105 zur Auslassverzweigung 104 und dem Auslass 103 wird der Abgasstrom über die Oberfläche der Wärmetauschelemente 105 gekühlt. Der gegenströmende Kühlluftstrom vom Lüfter oder Gebläse 55 verstärkt den Kühleffekt. Der Kühlluftstrom fließt durch den Wärmetauscher und passiert das wenigstens eine Wärmetauschelement 105, wodurch ein Kühleffekt über die Oberfläche des wenigstens einen Wärmetauschelements 105 erzeugt wird.
Um den Strömungswiderstand des Kühlluftstroms zu verringern, kann der Querschnitt der Röhren von ovaler Form sein, wenigstens in den geraden Abschnitten 106, wobei die Hauptachse 110 der Ovale parallel zur Fliessrichtung des Kühlluftstroms ausgebildet ist.
Sowohl aus Produktionsgründen als auch aus aerodynamischen Gründen ist es von Vorteil, wenn die Röhren in den u-artigen Abschnitten 107 auch von ovaler Form sind, wobei die Hauptachse 111 der ovalen Querschnitte senkrecht zu sowohl dem Kühlluftstrom als auch den geraden Abschnitten 106 der Röhren ist.
Eine bevorzugte Ausgestaltung ist in 5 gezeigt. Um kürzere u-artige Abschnitte 107 zu haben, sind die Röhren im Wesentlichen im rechten Winkel zueinander ausgebildet, d. h. die Winkel zwischen den jeweiligen Mittelachsen der Röhrenabschnitte stehen im Wesentlichen senkrecht aufeinander. Die u-Form wird durch zwei langgestreckte parallele, gerade Abschnitte 106 mit einem kurzen, dazwischengeschalteten kurzen Abschnitt 107, der im Wesentlichen gerade ist und senkrecht zwischen den beiden Abschnitten 106 angeordnet ist, erzeugt, so dass die Abschnitte 106 miteinander verbunden werden. In einem Ausführungsbeispiel können wenigstens die geraden Abschnitte 106 einen ovalen Querschnitt aufweisen, mit der Hauptachse 110 des Ovals parallel zum Kühlluftstrom.
Um Raum zu sparen sind die Auslassenden der Röhren 112 direkt mit dem Wasserabscheider 60 verbunden. Das Oberteil des Wasserabscheiders 60 ist so konstruiert, dass es alle Auslassenden 112 der Wärmetauschelemente 115 in dem Wasserabscheider 60 zusammenführt. Der Wasserabscheider 60 ist vom Ober- zum Unterteil hin von sich verjüngender Struktur. Das Unterteil des Wasserabscheiders 60 weist einen Ausguss auf, der mit der Wasserrückführverbindung 62, siehe 1, verbunden ist.
Das Material der Röhren der vorliegenden Erfindung kann in erster Linie rostfreier Stahl sein, jedoch auch Titan oder Plastik. Die Röhrenstruktur ist bevorzugt selbsttragend, um ein Höchstmaß an Leerraum zwischen den parallelen Wärmetauschelementen 105 zu ermöglichen.
Obgleich die Erfindung unter Referenz auf bestimmte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht begrenzt auf diese Ausführungsbeispiele. Insbesondere ist die Erfindung nicht auf DMFC Brennstoffzellsysteme beschränkt. Es ist ebenso für den Fachmann klar ersichtlich, dass die Wärmetauschanordnung im Raum gedreht werden kann. Durch Modifikationen oder Variationen der Ausführungsbeispiele können zusätzliche Ausführungsbeispiele realisiert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellenstack
11: Kathodeneinlass des Stacks
12: Luftpumpe
13: Kathodenauslass des stacks
15: Anodeneinlass(Brennstoff-)des Stacks
16: Anodenauslass(Brennstoff-)des Stacks
20: CO₂ Abscheider
21: CO₂ Auslass
22: Mischer
23: Zirkulationspumpe
30: Brennstofftank
31: Brennstoffpumpe
50: Wärmetauscher
52: Auslass des Wärmetauschers
55: Ventilationseinheit
56: Ventilationsmittel
57: Gehäuse der Ventilationseinheit
60: Wasserabscheider
61: Luftauslass
62: Wasserrückführverbindung
70: Wasserrückführpumpe
101: Einlassöffnung
102: Einlassverzweigung
103: Auslassöffnung
104: Auslassverzweigung
105: Wärmetauscherröhren
106: Erste Abschnitte des Wärmetauschers
107: Zweite Abschnitte des Wärmetauschers
110: Hauptachse des ovalen Querschnitts der geraden Abschnitte
111: Hauptachse des ovalen Querschnitts in den u-artigen Abschnitten
112: Auslassenden der Röhren
113: Breite des Wärmetauschers
114: Tiefe des Wärmetauschers
115: Höhe des Wärmetauschers

Claims

Ein Brennstoffzellensystem mit einer Wärmetauschanordnung zur Kühlung eines Auslassstromes einer Brennstoffzelle, wobei die Wärmetauscheranordnung einen Wärmetauscher (50) und eine Ventilationseinheit (55), zur Erzeugung eines Kühlluftstroms durch besagten Wärmetauscher (50) hindurch, umfasst, wobei die Ventilationseinheit (55) ein kreisförmiges Ventilationsmittel (56) und ein Gehäuse (57) umfasst, der Wärmetauscher (50) eine Breite (113) aufweist, die sich in die y-Richtung erstreckt, eine Tiefe (114), die sich in die x-Richtung erstreckt, eine Höhe (115), die sich in die z-Richtung erstreckt, eine Vorder- und eine Rückseite, begrenzt durch eine Ebene, die sich in der y-z Ebene erstrecken, und zwei Seiten, begrenzt durch Ebenen, die sich in der x-z Ebene erstrecken, wobei der Wärmetauscher (50) umfasst: – eine Einlassverzweigung (102) mit einer Einlassöffnung (101), die sich in der x-Richtung erstreckt, wobei der Einlass (101) mit einem Kathodenauslass (13) eines Brennstoffzellenstacks (10) eines Brennstoffzellensystems verbunden ist, – eine Auslassverzweigung (104) mit einer Auslassöffnung (103), die sich in der x-Richtung erstreckt und von der Einlassverzweigung (102) räumlich getrennt ist, wobei besagte Auslassverzweigung (104) als ein Wasserabscheider (60) realisiert ist, zur Trennung von kondensiertem Wasser vom Medium, das durch den Wärmetauscher (50) strömt, und in direktem Kontakt mit den Auslassenden der Wärmetauschelemente (105) ausgebildet ist, und – eine Mehrzahl von hohlen Wärmetauschelementen (105), die einen Strom eines in ihnen beinhalteten Mediums von der Einlassverzweigung (102) zur Auslassverzweigung (104) ermöglichen, wobei die Wärmetauschelemente (105): – sich vom Einlass (101) zum Auslass (103) in der y-z Ebene serpentinenartig ausdehnen, – parallel zueinander in der x-Richtung und derart räumlich getrennt voneinander angeordnet sind, dass ein Leerraum zwischen den Wärmetauschelementen (105) gebildet wird, und – erste Abschnitte (106) umfassen, die sich in der z-Richtung erstrecken, und zweite Abschnitte (107), die aufeinanderfolgende erste Abschnitte (106) miteinander verbinden, wobei besagte Ventilationseinheit (55) sich parallel zu den Seiten des Wärmetauschers (50) in der x-z Ebene erstreckt, der Kühlstrom, der durch den Leerraum zwischen den Wärmetauschelementen (105) strömt, in der dem Strom des Mediums innerhalb der Wärmetauschelemente (105) entgegengesetzten Richtung fließt, und wobei der Durchmesser des Ventilationsmittels (56) einen Wert aufweist, der wenigstens 66% des kleineren Wertes von entweder der Tiefe (114) oder der Höhe (115) des Wärmetauschers (50) entspricht.
Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Ventilationsmittels (56) einen Wert aufweist, der wenigstens 80%, bevorzugt 90%, noch bevorzugter 95% des kleineren Wertes von entweder der Tiefe (114) oder der Höhe (115) des Wärmetauschers (50) entspricht.
Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der besagten ersten Abschnitte (106) eine Hauptachse (110) parallel zur Kühlluftströmung aufweist, die eine größere Länge als eine zweite Achse senkrecht zum Kühlluftstrom hat.
Brennstoffzellensystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der besagten ersten Abschnitte (106) eine ovale Form aufweist, wobei die Hauptachse (110) des Ovals parallel zum Kühlluftstrom angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Ventilationseinheit (55) an einer stromabwärtigen Seite des Wärmetauschers (50) angeordnet ist, wobei die stromabwärtige Seite durch die Richtung des Stroms des Mediums innerhalb der Wärmetauschelemente (105) definiert ist, und einen Lüfter oder ein Gebläse umfasst, zum Anblasen von Luft von einer stromabwärtigen Seite zu einer stromaufwärtigen Seite des Wärmetauschers (50).
Brennstoffzellensystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Ventilationseinheit (55) an einer stromaufwärtigen Seite des Wärmetauschers (50) angeordnet ist, wobei die stromaufwärtige Seite durch die Richtung des Stroms des Mediums innerhalb der Wärmetauschelemente (105) definiert ist, und einen Lüfter oder ein Gebläse umfasst, zum Ansaugen von Luft von einer stromabwärtigen Seite zu einer stromaufwärtigen Seite des Wärmetauschers (50).
Brennstoffzellensystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschelemente (105) eine röhrenförmige Struktur aufweisen.
Brennstoffzellensystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Abschnitte (107) der Wärmetauschelemente (105) eine u-förmige röhrenförmige Struktur aufweisen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die u-förmige röhrenförmige Struktur aus geraden Abschnitten besteht, die rechtwinklig zueinander angeordnet sind.
Brennstoffzellensystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Abschnitte (107) der Wärmetauschelemente (105) eine gerade, röhrenförmige Struktur aufweisen.
Brennstoffzellensystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen besagten ersten Abschnitten (106) und zweiten Abschnitten (107) der Wärmetauschelemente (105) im rechten Winkel zueinander angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse der Abschnitte (106) und (107) sich im rechten Winkel zueinander schneiden.
Brennstoffzellensystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt besagter zweiter Abschnitte (107) der Wärmetauschelemente (105) eine ovale Form aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilationsmittel (56) einen Lüfter oder ein Gebläse umfasst.
Brennstoffzellensystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem ein Direktmethanol-Brennstoffzellensystem ist.
Verfahren zur Kühlung eines Auslassstromes einer Brennstoffzelle unter Verwendung einer Wärmetauschanordnung gemäss Anspruch 1, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Führen eines Auslassstromes einer Brennstoffzelle in den Einlass (101) eines Wärmetauschers (50); – Führen des Stromes vom Einlassende des Wärmetauschelements (105) des Wärmetauschers (50) zu seinem Auslassende, welches zu einem Kühleffekt des besagten Stromes führt; und – Verstärken besagten Kühleffektes des geführten Stromes mittels Erzeugung eines Kühlluftstroms um die besagten Wärmetauschelemente (105) herum, von besagter stromabwärtigen Seite zu der stromaufwärtigen Seite des Wärmetauschers (50).
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner den Schritt der Kondensation von Wasser innerhalb des Wärmetauschers (50) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner den Schritt des Trennens des kondensierten Wassers und des Luftstromes in einem Wasserabscheider (60) umfasst, der in direktem Kontakt mit den Auslassenden der Wärmetauschelemente (105) des Wärmetauschers (50) steht.