DE102008005649B4

DE102008005649B4 - Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102008005649B4
Application number: DE102008005649.9A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Thomas (FH) Diedrich; Dipl.-Ing. Martin (FH) Heumos; Dr.-Ing. Hinsenkamp Gert; Dipl.-Ing. Mangold Patrick
Original assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2008-01-23
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2022-02-10
Anticipated expiration: 2028-01-24
Also published as: DE102008005649A1

Abstract

Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzelle (1) elektrodenausgangsseitig eine Kombination eines Befeuchtermoduls (2) und eines Wasserabscheiders (3) derart nachgeschaltet ist, dass das Befeuchtermodul (2) vom Abgas (A) der Brennstoffzelle (1) mit darin enthaltenem dampfförmigem Wasser (H2O(d)) und flüssigem Wasser (H2O(1)) von unten nach oben durchströmbar und danach dem Wasserabscheider (3) zuführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle.
Üblicherweise wird einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie anodeneingangsseitig Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas als Brennstoff und kathodeneingangsseitig als Oxidationsmittel Sauerstoff oder ein sauerstoffreiches Gas, z.B. Umgebungsluft, zugeführt. Eine Ionenaustausch-Membran (z.B. Polymer-Elektrolyt-Membran, PEM) separiert die Elektroden der Brennstoffzelle voneinander, d.h. Anode(n) von Kathode(n), und ermöglicht, dass Ionen des Wasserstoffs (Protonen) als Zwischenprodukt einer katalytischen Oxidation des Wasserstoffes mit dem Sauerstoff durch die Ionenaustausch-Membran hindurch zu dem Oxidationsmittel geleitet werden.
Unter einer Brennstoffzelle wird sowohl eine einzelne Brennstoffzelle verstanden, als auch eine Hintereinanderschaltung von zwei oder mehr einzelner Brennstoffzellen (kurz: Einzelzellen) zu einem Brennstoffzellenstapel (kurz: Stack).
Als Reaktionsprodukt der katalytischen Oxidation entsteht Wasser, welches in flüssigem und gasförmigem Aggregatzustand über ein Abgas der Brennstoffzelle kathodenausgangsseitig abgeführt wird.
Bei einer mobilen Anwendung der Brennstoffzelle, insbesondere bei einer Anwendung zum Antrieb eines Fahrzeuges, ist es notwendig, eine Emission von flüssigem Wasser zu vermeiden, da dieses bei kalten Außentemperaturen zu einer Eisbildung auf einer Fahrbahn und somit zu einer Verkehrsgefährdung führen kann. Deshalb existieren im Stand der Technik Wasserabscheider, die das Abgas der Brennstoffzelle durch Abscheidung von Wasser aus diesem entfeuchten. Diese werden häufig als Drahtgestrickabscheider ausgeführt. Das Drahtgestrick führt jedoch zu einem nachteiligen Druckverlust in dem Abgasstrom.
Da der Austrag des Wassers am Elektrodenausgang, insbesondere am Kathodenausgang, in niedrigen Bauräumen, wie z.B. dem Unterboden eines Fahrzeugs, üblicher Weise am tiefsten Punkt der Brennstoffzelle erfolgt, ist es konstruktionsbedingt notwendig, einen Eintritt an dem Wasserabscheider ebenfalls an dessen tiefsten Punkt zu realisieren. Dadurch entsteht jedoch der Nachteil, dass das Abgas von unten nach oben durch den Wasserabscheider geführt wird, was zu einer wenig effektiven Wasserabscheiderwirkung führt.
Weiterhin muss die Ionenaustausch-Membran der Brennstoffzelle ständig mit Wasser befeuchtet werden, um für die Ionen des Wasserstoffs leitfähig zu sein. Wird die Brennstoffzelle mit zu geringer Befeuchtung betrieben, sinkt ihre Lebensdauer und eine maximal erzielbare elektrische Leistung. Diese Befeuchtung wird im Stand der Technik über Befeuchtermodule erreicht, welche z.B. kathodeneingangsseitig zugeführte Frischluft mit Wasser befeuchten.
Die US 2007/0087239 A1 beschreibt ein Fluid-Management-System für einen Brennstoffzellenstapel, welches Wasserdampf von den Abgasen auf die zugeführten Gase überträgt und welches Wärme zwischen den Stoffströmen übertragen kann. Es ist platzsparend und korrespondierend zu den Anschlüssen eines Brennstoffzellensystems ausgebildet. Es ist zum Einbau unterhalb des Brennstoffzellenstapels ausgelegt. Es repräsentiert den Oberbegriff von Anspruch 1 und im Wesentlichen den oben genannten Stand der Technik und hat auch dessen Nachteile.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle anzugeben, welche insbesondere die im Stand der Technik angegebenen Nachteile überwindet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle zeichnet sich dadurch aus, dass der Brennstoffzelle elektrodenausgangsseitig eine Kombination eines Befeuchtermoduls und eines Wasserabscheiders derart nachgeschaltet ist, dass das Elektrodenabgas der Brennstoffzelle (kurz: Abgas) in dem Befeuchtermodul von unten nach oben strömen kann und danach dem Wasserabscheider zuführbar ist. Damit ist es möglich den Wasserabscheider von oben anzuströmen, sodass das Abgas in dem Wasserabscheider zunächst von oben nach unten strömt. Zur Ableitung eventuell im Befeuchtermodul anfallenden flüssigen Wassers kann eine horizontale Verbindungsleitung vom Befeuchtermodul zum Wasserabscheider dienen. Die Verbindungsstelle befindet sich vorzugsweise in einem unteren Bereich des Befeuchtermoduls und mündet in einen unteren Bereich des Wasserabscheiders.
Die Kombination eines Befeuchtermoduls und eines Wasserabscheiders kann der Brennstoffzelle anodenseitig oder kathodenseitig oder aber sowohl anoden- als auch kathodenseitig nachgeschaltet sein. Es ist jedoch bevorzugt, wenn sie der Brennstoffzelle kathodenseitig nachgeschaltet ist. Die Erfindung wird daher der Einfachheit halber nachfolgend am Beispiel einer kathodenseitigen nachgeschalteten Befeuchtermodul-Wasserabscheider-Kombination weiter erläutert, ohne jedoch darauf eingeschränkt zu sein.
Aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine Effektivität einer Abscheidung von Wasser aus dem kathodenausgangsseitig ausströmenden Abgas der Brennstoffzelle deutlich erhöht wird. Weiterhin besteht die Möglichkeit, den Wasserabscheider ohne Drahtgeflecht auszuführen, so dass ein Druckverlust im Abgas gering gehalten werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:

1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle.

Die einzige 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle 1, wobei der Brennstoffzelle 1 kathodenausgangsseitig eine Kombination eines Befeuchtermoduls 2 und eines Wasserabscheiders 3 nachgeschaltet ist. Die Brennstoffzelle 1 ist dabei vorzugsweise für eine mobile Anwendung, insbesondere zum Antrieb eines nicht näher dargestellten Fahrzeuges vorgesehen und an Bord dieses Fahrzeugs angeordnet. Die Brennstoffzelle 1 ist weiterhin auch für jede denkbare andere Anwendung zur Erzeugung elektrischer Energie nutzbar.
Ein Kathodenausgang 1.1 der Brennstoffzelle 1 ist dabei über eine erste Verbindungsleitung 4 mit einem unteren Eingang 2.1 des Befeuchtermoduls 2 verbunden. Mittels der ersten Verbindungsleitung 4 ist kathodenausgangsseitig aus der Brennstoffzelle 1 ausströmendes Abgas A, in diesem gebundenes dampfförmiges Wasser H₂O_(d) und flüssiges Wasser H₂O₍₁₎ dem Befeuchtermodul 2 zuführbar. Dieses Abgas A durchströmt das Innere des Befeuchtermoduls 2 mit der Höhe h_BM von dem unteren Eingang 2.1 aus nach oben. Das Innere des Befeuchtermoduls 2 ist dabei insbesondere aus Fasern gebildet, vorzugsweise aus wasserdurchlässigen Hohlfasermembranen.
Als Befeuchtermodul 2 kann in einer Weiterbildung der Erfindung ein Wärmetauscher, z.B. ein Gas-Gas-Ladeluftkühler, vorgesehen sein. Zusätzlich durchströmt in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung Frischluft das Befeuchtermodul 2, welche der Brennstoffzelle 1 in nicht näher dargestellter Art und Weise kathodeneingangsseitig zuführbar ist. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine notwendige Befeuchtung der Frischluft mit Wasser und eine daraus folgende Befeuchtung einer nicht näher dargestellten Ionenaustausch-Membran der Brennstoffzelle 1 erreicht.
Das über die erste Verbindungsleitung 4 zugeführte flüssige Wasser H₂O₍₁₎ und das im Befeuchtermodul 2 aus dem dampfförmigen Wasser H₂O_(d) auskondensierte flüssige Wasser H₂O₍₁₎ sammelt sich teilweise in einem unteren Bereich des Befeuchtermoduls 2 und ist über eine einen unteren Ausgang 2.2 des Befeuchtermoduls 2 und einen unteren Eingang 3.1 des Wasserabscheiders 3 verbindende zweite Verbindungsleitung 5 dem Wasserabscheider 3 zuführbar.
Das Abgas A mit dem darin gebundenen dampfförmigen Wasser H₂O_(d) und dem verbliebenen flüssigen Wasser H₂O₍₁₎ ist über eine einen oberen Ausgang 2.3 des Befeuchtermoduls 2 und einen oberen Eingang 3.2 des Wasserabscheiders 3 verbindende dritte Verbindungsleitung 6 dem Wasserabscheider 3 tangential an einer Oberseite zuführbar.
Der Wasserabscheider 3 ist insbesondere als Zyklonabscheider ausgeführt. Dabei ist ein zylindrisch ausgeführtes Rohr 3.3 in seiner Längenausdehnung L senkrecht zu einer Strömungsrichtung des dem Wasserabscheider 3 über den oberen Eingang 3.2 zugeführten Abgases A, mit dem darin gebundenen dampfförmigen Wasser H₂O_(d) und dem verbliebenen flüssigen Wasser H₂O₍₁₎, derart im Inneren des Wasserabscheiders 3 an dessen Oberseite befestigt, dass das tangential einströmende Abgas A, mit dem darin gebundenen dampfförmigen Wasser H₂O_(d) und dem verbliebenen flüssigen Wasser H₂O₍₁₎, bei einem Auftreffen auf das Rohr 3.3 einen Drall erhalten. Dadurch bildet sich eine zyklonartige Strömung um eine Außenseite des Rohres 3.3 nach unten aus, wobei das flüssige Wasser H₂O₍₁₎ aus dem Abgas A an der Außenseite des Rohres 3.3 über die Längenausdehnung L und an einer Innenseite des Wasserabscheiders 3 über eine Höhe h_K abgeschieden wird.
Die Begriffe „unten“ und „oben“ sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf die Richtung der Schwerkraft bezogen. Ist die erfindungsgemäße Vorrichtung z.B. an Bord eines Fahrzeugs angeordnet, so bedeutet „nach unten“: in Richtung der Schwerkraft bei einem eben stehenden Fahrzeug. Entsprechend bedeutet „nach oben“: entgegen der Richtung der Schwerkraft bei einem eben stehenden Fahrzeug.
Das flüssige Wasser H₂O₍₁₎ sammelt sich in einem unteren Bereich des Wasserabscheiders 3 und ist zusammen mit über den unteren Eingang 3.1 dem Wasserabscheider 3 zugeführtem flüssigem Wasser H₂O₍₁₎ anhand eines Wasserablaufes 3.4 aus dem Wasserabscheider 3 abführbar.
Da die Längenausdehnung L des Rohres 3.3 geringer als die Höhe h_K des Wasserabscheiders ausgeführt ist, kann das Abgas A mit nicht auskondensiertem dampfförmigem Wasser H₂O_(d) und nicht abgeschiedenem flüssigem Wasser H₂O₍₁₎ das Innere des Rohres 3.3 von unten nach oben durchströmen, wobei aufgrund der starken Richtungsänderung weiteres flüssiges Wasser H₂O₍₁₎ abgeschieden wird. An einer Oberseite des Wasserabscheiders 3 sind über eine dort angeordnete Abgasabführung 3.5 das Abgas A mit nicht auskondensiertem dampfförmigem Wasser H₂O_(d) und nicht abgeschiedenem flüssigem Wasser H₂O₍₁₎ abführbar.
Durch die Kombination des Befeuchtermoduls 2 mit dem Wasserabscheider 3 wird in vorteilhafter Weise eine virtuelle Vergrößerung der Höhe h_K erreicht. Diese Vergrößerung wird insbesondere durch eine teilweise Abscheidung des flüssigen Wassers H₂O₍₁₎ in dem Befeuchtermodul 2 und eine sowohl nach unten als auch nach oben gerichtete Durchströmung des Wasserabscheiders 3 erzielt.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzelle
1.1: Kathodenausgang
2: Befeuchtermodul
2.1: Unterer Eingang
2.2: Unterer Ausgang
2.3: Oberer Ausgang
3: Wasserabscheider
3.1: Unterer Eingang
3.2: Oberer Eingang
3.3: Rohr
3.4: Kondensatablauf
3.5: Abgasabführung
4: Erste Verbindungsleitung
5: Zweite Verbindungsleitung
6: Dritte Verbindungsleitung
A: Abgas
H2O(d): Dampfförmiges Wasser
H2O(1): Flüssiges Wasser
hBM: Höhe
hK: Höhe

Claims

Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzelle (1) elektrodenausgangsseitig eine Kombination eines Befeuchtermoduls (2) und eines Wasserabscheiders (3) derart nachgeschaltet ist, dass das Befeuchtermodul (2) vom Abgas (A) der Brennstoffzelle (1) mit darin enthaltenem dampfförmigem Wasser (H₂O_(d)) und flüssigem Wasser (H₂O₍₁₎) von unten nach oben durchströmbar und danach dem Wasserabscheider (3) zuführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein unterer Eingang (2.1) des Befeuchtermoduls (2) über eine erste Verbindungsleitung (4) mit einem Elektrodenausgang der Brennstoffzelle verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein unterer Ausgang (2.2) des Befeuchtermoduls (2) über eine zweite Verbindungsleitung (5) mit einem unteren Eingang (3.1) des Wasserabscheiders (3) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberer Ausgang (2.3) des Befeuchtermoduls (2) über eine dritte Verbindungsleitung (6) mit einem oberen Eingang (3.2) des Wasserabscheiders (3) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Innere des Befeuchtermoduls (2) aus Fasern, bevorzugt wasserdurchlässige Hohlfasermembranen, gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Befeuchtermodul (2) ein Wärmetauscher vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Unterseite des Wasserabscheiders (3) ein Wasserablauf (3.4) und an einer Oberseite eine Abgasabführung (3.5) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Elektrodenausgang, dem eine Kombination eines Befeuchtermoduls (2) und eines Wasserabscheiders (3) nachgeschaltet ist, um den Kathodenausgang (1.1) oder um den Anodenausgang oder sowohl um den Kathodenausgang (1.1) als auch den Anodenausgang handelt, bevorzugt um den Kathodenausgang (1.1).