DE102008007024A1 - Fuel cell system with adsorption heat storage - Google Patents

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Abstract

Vorgestellt wird eine Brennstoffzelle 4 mit einer Adsorptionseinheit 3 und einer dazu bereitgestellten Adsorptivzufuhreinheit, wobei die Adsorptivzufuhreinheit 2 geeignet ist, Adsorptiv zur Adsorption in der Adsorptionseinheit 3 bereitzustellen. Ferner ist die Adsorptionseinheit 3 ausgelegt, das zugeführte Gas durch Adsorption zu trocknen und bei der Adsorption Wärme zur Erwärmung der Brennstoffzelle 4 in deren Startphase bereitzustellen. Ebenso wird ein zugehöriges Verfahren und ein Verfahren zur Trocknung dieser Brennstoffzelle 4 nach Abschaltung vorgestellt, indem die mit der Adsorptionseinheit verbundene Brennstoffzelle 4 gegenüber der Umgebung so abgeschlossen wird, dass vorhandene Restfeuchte von in der Adsorptionseinheit 3 vorhandenem Adsorbens adsorbiert wird.A fuel cell 4 is presented with an adsorption unit 3 and an adsorptive feed unit provided for this purpose, the adsorptive feed unit 2 being suitable for providing adsorption for adsorption in the adsorption unit 3. Further, the adsorption unit 3 is designed to dry the supplied gas by adsorption and to provide heat for adsorption to heat the fuel cell 4 in its start phase. Likewise, an associated method and a method for drying this fuel cell 4 after shutdown is presented by the connected to the adsorption fuel cell 4 is completed with respect to the environment so that existing residual moisture is adsorbed by present in the adsorption unit 3 adsorbent.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Adsorptionswärmespeicher, mit dem sowohl das Wärme- als auch das Wassermanagement im System realisiert werden kann.The The invention relates to a fuel cell system with an adsorption heat storage, with both the heat and the water management can be realized in the system.

Stand der TechnikState of the art

Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzellen sind ein weit verbreiteter Brennstoffzellentyp für kleinere und mittelgroße Anwendungen. Eines ihrer Hauptprobleme ist jedoch ihr komplexer Feuchtehaushalt. Bei zu trockener Membran sinkt ihre Leitfähigkeit und sie kann mechanisch zerstört werden. Auf der anderen Seite können sich bei zu feuchtem Betrieb Wassertropfen bilden, die die Gaszuführungswege verstopfen können.Polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells are a widely used fuel cell type for smaller ones and medium sized applications. One of her main problems is however their complex moisture balance. If the membrane is too dry its conductivity decreases and it can be mechanically destroyed become. On the other hand, can be too wet operation Make water drops that clog the gas supply routes can.

Neue Membranmaterialien (z. B. PBI-basierend) umgehen die Notwendigkeit von flüssigem Wasser in der Membran. Sie können bei Temperaturen von über 100°C betrieben werden, was unter anderem eine erhöhte Reaktionskinetik und CO-Toleranz mit sich bringt. Viele dieser Membranen haben jedoch den Nachteil, dass sie nicht mit flüssigem Wasser in Berührung kommen dürfen, da sonst die für die Leitfähigkeit verantwortliche Säure (i. A. Phosphorsäure) ausgespült wird. Außerdem darf die Membran nicht über einen längeren Zeitraum offen gelagert werden, da Phosphorsäure hydrophil ist und Wasser aus der Umgebung anzieht.New Membrane materials (eg, PBI based) circumvent the need of liquid water in the membrane. You can be operated at temperatures above 100 ° C, which among other things an increased reaction kinetics and CO tolerance brings with it. However, many of these membranes have the disadvantage that they are not in contact with liquid water are allowed to come, otherwise for the conductivity responsible acid (i. A. phosphoric acid) rinsed out becomes. In addition, the membrane must not have a be stored open for a prolonged period, as phosphoric acid is hydrophilic and attracts water from the environment.

Das Hauptaugenmerk beim Betrieb dieses Brennstoffzellentyps liegt also darauf, die Zellen möglichst schnell auf ihre Betriebstemperatur zu bringen und flüssiges Wasser in jedem Betriebspunkt zu vermeiden. Dazu muss die Zelle in der Regel beim Start auf über 100°C künstlich aufgeheizt werden, bevor sie Strom produzieren kann. Diese Aufheizung kann zum Beispiel elektrisch erfolgen, was jedoch eine für portable Systeme einen Starterakku voraussetzt.The The main focus when operating this type of fuel cell is therefore The cells should be brought to their operating temperature as quickly as possible to bring and liquid water at each operating point to avoid. To do this, the cell usually has to start over at 100 ° C be heated artificially, before electricity can produce. This heating can be, for example, electrically which, however, is a starter battery for portable systems presupposes.

Darüber hinaus müssen die Zellen beim Ausschalten trocken gespült und verschlossen werden, damit sich noch möglichst wenig Wasserdampf im Gasraum befindet. Dieser kondensiert beim Abkühlen aus und kann die Säure aus der Membran spülen.About that In addition, the cells must be rinsed dry when switched off and be closed, so as little as possible Steam is located in the gas space. This condenses on cooling and can flush the acid out of the membrane.

Es gibt verschiedene Ansätze in Brennstoffzellen, zur Trocknung wasseradsorbierende Materialien einzusetzen. Aus der DE 10 2004 020 029 A1 ist bekannt, in einer Brennstoffzellenanordnung eine Soll-Kondensationstelle zu bilden, in der Wasser adsorbierende Materialien angeordnet werden. Damit kann eine Trocknung der Brennstoffzellenanordnung nach Betriebsabschaltung erfolgen.There are various approaches in fuel cells to use water-adsorbing materials for drying. From the DE 10 2004 020 029 A1 It is known to form a nominal condensation point in a fuel cell assembly in which water adsorbing materials are arranged. Thus, a drying of the fuel cell assembly can take place after operation shutdown.

Aus der DE 10 2004 060 129 A1 ist bekannt, die Zuluft zu einer SOFC-Brennstoffzelle mit Hilfe eines Zeoliths zu trocknen. Bei der Trocknung der Luft wird das Wasser im Zeolith adsorbiert. Der Zeolith kann beim Betrieb der Brennstoffzelle durch deren Abwärme wieder getrocknet und damit für weitere Trocknung der Zuluft regeneriert werden. Dabei können abwechselnd unterschiedliche Bereiche des Zeoliths von der Zuluft durchströmt und mit Abwärme getrocknet werden.From the DE 10 2004 060 129 A1 It is known to dry the supply air to a SOFC fuel cell with the aid of a zeolite. During the drying of the air, the water is adsorbed in the zeolite. The zeolite can be dried by the waste heat during operation of the fuel cell and thus regenerated for further drying of the supply air. In this case, alternately different regions of the zeolite can be flowed through by the supply air and dried with waste heat.

Ein anderer Ansatz wird in der EP 1 022 796 vorgestellt. Dort wird vorgeschlagen, in ein Brennstoffzellensystem ein Adsorbens anzuordnen, mit dem die in der Abluft der Brennstoffzelle enthaltene Feuchtigkeit abgeschieden werden kann. Die abgeschiedene Feuchtigkeit kann dann durch entsprechende Erwärmung des Adsorptionsbereichs der Zuluft wieder zugeführt werden. Dies ist bei Brennstoffzellen sinnvoll, welche feuchte Zuluft benötigen.Another approach will be in the EP 1 022 796 presented. There, it is proposed to arrange an adsorbent in a fuel cell system with which the moisture contained in the exhaust air of the fuel cell can be separated. The separated moisture can then be recycled by appropriate heating of the adsorption of the supply air. This is useful for fuel cells that require moist supply air.

Aus der DE 102 96 796 A1 ist bekannt, einen Brennstoffprozessor vorzuwärmen, in dem das in einem Primärreaktor erzeugte Wasser zumindest teilweise adsorbiert wird.From the DE 102 96 796 A1 It is known to preheat a fuel processor in which the water generated in a primary reactor is at least partially adsorbed.

Beschreibungdescription

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, welches energieeffizient betrieben wird. Dabei sollen Erfordernisse des Wassermanagements ebenso berücksichtigt werden wie notwendige Vorwärmungen. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein entsprechendes Betriebsverfahren für eine Brennstoffzelle bereitzustellen.Of the present invention is based on the object, the disadvantages to overcome the prior art and a fuel cell system to create energy-efficient operation. It should The requirements of water management are taken into account as well become like necessary warm-ups. It is still the task the present invention, a corresponding operating method for a fuel cell.

Diese Aufgaben werden durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen an.These Tasks are governed by the independent claims solved. Subclaims give advantageous developments at.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine Brennstoffzelle mit einer Adsorptionseinheit und einer dazu bereitgestellten Adsorptivzufuhreinheit vorzusehen ist. Selbstverständlich können jeweils mehrere Komponenten, insbesondere mehrere Brennstoffzellen, vorhanden sein. Die Adsorptivzufuhreinheit muss dabei geeignet sein, Adsorptiv zur Adsorption in der Adsorptionseinheit bereitzustellen. Die Adsorptionseinheit ist so ausgelegt, dass das zugeführte Gas durch Adsorption getrocknet wird und bei der Adsorption Wärme zur Erwärmung der Brennstoffzelle in deren Startphase bereitgestellt werden kann. Damit ist es möglich, das Einlassgas zur Brennstoffzelle hinreichend trocken zu halten und die Brennstoffzelle zu erwärmen. Es wurde erkannt, dass es in vielen Fällen nicht hinreichend ist, im Einlassgas vorhandenes Wasser zu adsorbieren, um hinreichende Wärme zur Erwärmung der Brennstoffzelle bereitzustellen. Daher wird die Adsorptivzufuhreinheit als wesentliche Neuerung vorgeschlagen.According to the invention, it has been recognized that a fuel cell having an adsorption unit and an adsorptive supply unit provided therefor is to be provided. Of course, in each case a plurality of components, in particular a plurality of fuel cells, may be present. The Adsorptivzufuhreinheit must be suitable to provide adsorptive for adsorption in the adsorption unit. The adsorption unit is designed so that the supplied gas is dried by adsorption and in the adsorption heat can be provided for heating the fuel cell in its start phase. This makes it possible to keep the inlet gas to the fuel cell sufficiently dry and to heat the fuel cell. It has been recognized that in many cases it is not sufficient to adsorb water present in the inlet gas to provide sufficient heat to heat the fuel cell put. Therefore, the Adsorptivzufuhreinheit is proposed as a major innovation.

Die Adsorptionseinheit kann an verschiedenen Stellen, vorzugsweise in der Anoden- und/oder Kathodengasversorgung, untergebracht sein. Dabei kann sie entweder als externes Bauteil ausgeführt sein oder im Stack, etwa in den Bipolarplatten, integriert sein.The Adsorption unit can be at different sites, preferably in the anode and / or cathode gas supply, be housed. It can either be designed as an external component or be integrated in the stack, for example in the bipolar plates.

Wiewohl es möglich ist, das Adsorptiv direkt der Adsorptionseinheit zuzuführen, ist es in vielen Fällen günstig, das Adsorptiv dem zugeführten Gas zur Brennstoffzelle zuzuführen. Dann kann das mit Adsorptiv angereicherte Gas in der Adsorptionseinheit erwärmt werden und das in ihr enthaltene Adsorptiv dort abscheiden.although it is possible to add the adsorptive directly to the adsorption unit it is beneficial in many cases, to supply the adsorptive to the supplied gas to the fuel cell. Then, the adsorptively enriched gas in the adsorption unit are heated and the adsorbate contained in it there deposit.

Grundsätzlich kommen verschiedene Stoffe als Adsorptive in Betracht. Am gebräuchlichsten und einfachsten zu handhaben ist jedoch Wasser. Die Verwendung des Adsorptivs Wasser gestattet darüber hinaus neben der Vorwärmung ohne weitere Maßnahmen das Wassermanagement zu übernehmen. Zudem kann bei Verwendung von Wasser als Adsorptiv die Adsorptivzufuhreinheit als Befeuchtungseinheit für das zugeführte Gas ausgebildet sein. Derartige Befeuchtungseinheiten sind im Stand der Technik bekannt und können als solche einfach und billig ausgeführt werden und sind im Handel als Komponenten erhältlich. Für den Transport der Wärme von der Adsorptionseinheit zur Brennstoffzelle sind vor allem drei Wege vorteilhaft. Die Wärme kann durch das bei der Adsorption erwärmte Einlassgas zur Brennstoffzelle transportiert werden und diese bestimmungsgemäß erwärmen. Je nach räumlicher Anordnung der Adsorptionseinheit ist es auch möglich, die Wärme von der Adsorptionseinheit zur Brennstoffzelle durch Wärmeleitung gelangen zu lassen. So ist es möglich die Adsorptionswärmeeinheit im Brennstoffzellenstack zu integrieren. In diesem Fall erfolgt die Wärmezufuhr im Wesentlichen über Wärmeleitung. Wenn die Adsorptionseinheit räumlich getrennt von der Brennstoffzelle angeordnet ist, dürfte in der Regel die Zufuhr der Wärme über die Zuluft überwiegen. Eine weitere Möglichkeit der Wärmeübertragung ergibt sich durch ein zusätzliches Wärmeträgermedium, mit dem die Wärme durch Konvektion von der Adsorptionseinheit zur Brennstoffzelle transportiert werden kann. Dabei sind beliebige Wärmeträgermedien denkbar. Erforderlich ist freilich ein Leitungssystem, in dem der Wärmeträger transportiert werden kann.in principle Different substances come as adsorptive into consideration. Most common But the easiest to handle is water. The use of the Adsorptive water also allows in addition to the preheating without taking further measures to take over the water management. In addition, when using water as Adsorptiv the Adsorptivzufuhreinheit as moistening unit for the supplied gas be educated. Such humidification units are in the state known in the art and as such can be simple and cheap and are commercially available as components. For the transport of heat from the adsorption unit For fuel cell, especially three ways are advantageous. The heat can by the heated during adsorption inlet gas for Fuel cell to be transported and heat them as intended. Depending on the spatial arrangement of the adsorption is It also possible to remove the heat from the adsorption unit to get to the fuel cell by heat conduction. So it is possible the adsorption heat unit in To integrate fuel cell stack. In this case, the Heat supply essentially via heat conduction. When the adsorption unit is physically separate from the fuel cell is arranged, usually the supply of heat is likely over the supply air predominate. One more way the heat transfer results from an additional Heat transfer medium, with which the heat by convection from the adsorption unit to the fuel cell can be transported. There are any heat transfer media conceivable. Needed, of course, is a management system in which the Heat transfer medium can be transported.

Bevorzugt wird in der Adsorptionseinheit als Adsorbens Zeolith verwendet. Damit kann die Adsorptionseinheit als gebräuchlicher Zeolithspeicher ausgebildet werden. Zeolith kann dabei granular vorliegen und als Schüttung in einen Speicher gegeben werden. Wenn die Wärmeleitung vom Zeolith zu einem Wärmeträgerfluid zu verbessern wäre, könnte der Zeolith beispielsweise auch auf einen Wärmetauscher aufkristallisiert werden. Die Verwendung von Zeolith bietet auch den Vorteil, dass die Temperaturbereiche, in denen Standardzeolithe bei Umgebungsdruck be- und entladen werden können mit den Temperaturbereichen überlappen, die beim Betrieb von Hochtemperaturbrennstoffzellen erforderlich sind. Allgemein sind Hochtemperaturbrennstoffzellen bei Temperaturen von 100°C bis 1000°C zu betreiben. Hochtemperaturbrennstoffzellen mit einer Polymerelektrolytmembran erfordern in der Regel einen Temperaturbereich von 100°C bis 200°C.Prefers is used in the adsorption as adsorbent zeolite. Thus, the adsorption can be designed as a conventional zeolite storage become. Zeolite can be present in granular form and as a bed be put into a memory. When the heat conduction to improve the zeolite to a heat transfer fluid For example, the zeolite could also be on to crystallize a heat exchanger. The usage zeolite also has the advantage that the temperature ranges, in which standard zeolites are loaded and unloaded at ambient pressure can overlap with the temperature ranges, required in the operation of high temperature fuel cells. Generally, high temperature fuel cells are at temperatures of 100 ° C to 1000 ° C to operate. High-temperature fuel cells with a polymer electrolyte membrane usually require a temperature range from 100 ° C to 200 ° C.

Um die Brennstoffzelle energieeffizient zu betreiben, ist es sinnvoll, Mittel vorzusehen, mit der Abwärme der Brennstoffzelle das Adsorbens zu desorbieren und das Adsorptiv auszutreiben. Die Abwärme kann mit Hilfe des oben geschilderten zusätzlichen Wärmeträgermediums direkt von der Brennstoffzelle abgeführt werden. Die Abwärme der Brennstoffzelle kann auch aus dem Abgas der Brennstoffzelle gewonnen werden. So ist es beispielsweise möglich, das zugeführte Gas nicht durch die Adsorptionseinheit fließen zu lassen, wenn die Umgebungsfeuchte nicht übertrieben hoch ist und die Brennstoffzelle bereits hinreichend erwärmt ist. Letzteres ist im laufenden Betrieb stets der Fall. Eine Erwärmung ist regelmäßig nur in der Startphase erforderlich. Es ist möglich, in der Adsorptionseinheit verschiedene Bereiche anzuordnen, die von verschiedenen Gasströmen durchströmt werden können. Somit ist es möglich, in einem Bereich zugeführtes Gas durchströmen zu lassen, welches durch Adsorption erwärmt wird, wobei zugleich in einem anderen Bereich durch das Abgas eine Desorption der Adsorptionseinheit erreicht wird. Wenn dieser Bereich dann hinreichend desorbiert ist, kann anschließend das zugeführte Gas dort wieder adsorbiert werden und zugleich im anderen Bereich, der zuvor adsorbiert worden ist, die Desorption durch Abgas erfolgen. Wird die Brennstoffzelle nicht lange genug betrieben, so dass keine hinreichende Desorption durch die Abwärme erfolgen kann, ist eine vorzugsweise elektrische Zusatzheizung empfehlenswert.Around operating the fuel cell in an energy-efficient way, it makes sense Provide means with the waste heat of the fuel cell to desorb the adsorbent and expel the adsorptive. The Waste heat can with the help of the above described additional Heat transfer medium directly from the fuel cell be dissipated. The waste heat of the fuel cell can also be obtained from the exhaust gas of the fuel cell. So For example, is it possible for the supplied Gas does not flow through the adsorption unit, if the ambient humidity is not exaggerated high and the fuel cell is already sufficiently heated. The latter is always the case during operation. A warming is regularly required only in the starting phase. It is possible to different in the adsorption unit To arrange areas that flows through different gas streams can be. Thus it is possible in one Flow through area supplied gas, which is heated by adsorption, wherein at the same time in another area through the exhaust gas desorption of the adsorption unit is reached. If this area is then sufficiently desorbed, can then return the gas there again be adsorbed and at the same time in the other area, which previously adsorbed has been the desorption by exhaust gas. Will the fuel cell not operated long enough, so no adequate desorption can be done by the waste heat, is a preferred electric auxiliary heating is recommended.

Bei Bedarf ist es möglich, im Abgas der Brennstoffzelle enthaltenes Adsorptiv abzuscheiden und das so gewonnene Adsorptiv der Adsorptivzufuhreinheit bei Bedarf wieder zuzuführen. Dabei ist eine Zwischenspeicherung in einem Adsorptivspeicher, etwa einem Wassertank, möglich. Etwa beim gebräuchlichen Adsorptiv Wasser genügt eine Kühlung, welche zur Abscheidung der Feuchtigkeit führt.at Demand is possible, contained in the exhaust gas of the fuel cell Adsorptive to deposit and thus obtained adsorptive Adsorptivzufuhreinheit to be supplied again if necessary. This is a caching in an adsorptive storage, such as a water tank, possible. For example, the common adsorptive water is sufficient a cooling, which leads to the deposition of moisture.

Auch die bei der Abscheidung des Adsorptivs, in der Regel also bei der Kondensation des Wassers, freiwerdende Wärme kann zur Vorwärmung der zur Brennstoffzelle zugeführten Gase bzw. zur Erwärmung der Adsorptivzufuhreinheit genutzt werden.Also in the deposition of the adsorptive, usually so in the Condensation of water, released heat can be used for preheating the gases supplied to the fuel cell or for heating the Adsorptivzufuhreinheit be used.

Die vorgestellte Vorrichtung kann so ausgestaltet werden, dass eine Trocknung der Brennstoffzelle bei der Abschaltung mit Hilfe der Adsorptionseinheit erfolgen kann. Beispielsweise kann die mit der Adsorptionseinheit verbundene Brennstoffzelle gegenüber der Umgebung abgeschlossen werden. Damit wird vorhandene Restfeuchte von in der Adsorptionseinheit vorhandenem Adsorbens adsorbiert. Weiterhin ist es möglich, das Abgas der Brennstoffzelle als Einlassgas der Brennstoffzelle wieder zuzuleiten. Dies ist insbesondere in der Startphase zur raschen Erwärmung sinnvoll.The presented device can be designed so that a Drying of the fuel cell at shutdown with the aid of Adsorption can take place. For example, the with the Adsorption unit connected fuel cell the environment be completed. This will be residual moisture adsorbed by adsorbent present in the adsorption unit. Farther it is possible, the exhaust gas of the fuel cell as an inlet gas to redirect the fuel cell. This is especially in the start phase for rapid warming makes sense.

Die Adsorptivzufuhreinheit, der Adsorptivtank und die Adsorptivabscheidung können alle oder teilweise in einem Bauteil integriert werden.The Adsorptive feed unit, the adsorptive tank and the adsorptive separation can all or partially integrated in one component become.

Ausführungsbeispielembodiment

Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der 1 nachfolgend näher beschrieben. Das zugeführte Gas (im folgenden Ausführungsbeispiel Luft) wird mit einer Pumpe oder einer anderen Luftfördereinrichtung 1 gefördert und gelangt in den Befeuchter 2. Von dort gelangt die befeuchtete Zuluft in den Zeolithspeicher 3, der einen Wärmetauscher aufweist. Durch die Adsorption des in der Zuluft enthaltenen Wassers an den Zeolith wird die Zuluft getrocknet und erwärmt. Die getrocknete und erwärmte Zuluft strömt dann vom Zeolithspeicher 3 in die Brennstoffzelle 4 und erwärmt diese. Von der Brennstoffzelle 4 strömt die warme Abluft aus und kann über den Zeolithwärmetauscher 4 und eine als Wärmetauscher ausgelegte Entfeuchte/Befeuchte-Einheit 7, 8, 2 die Wärme teilweise an die Zuluft abgeben (Luftvorwärmung). Da die Abluft in der Regel noch genug Sauerstoff für die Brennstoffzelle enthält – insbesondere beim Aufheizvorgang ist die Sauerstoffkonzentration ohnehin unkritisch –, kann die Abluft auch teilweise im Kreis geführt werden, das heißt vom Entfeuchter 7 zur Pumpe 1 rezirkuliert werden, um den Wärmeverlust zu minimieren. Somit lässt sich eine schnelle Erwärmung der Brennstoffzelle beim Start erreichen.Without limiting the generality, the invention will be described with reference to an embodiment with the aid of 1 described in more detail below. The supplied gas (in the following embodiment air) is with a pump or other air conveyor 1 promoted and enters the humidifier 2 , From there, the humidified supply air enters the zeolite storage tank 3 having a heat exchanger. The adsorption of the water contained in the supply air to the zeolite, the supply air is dried and heated. The dried and heated supply air then flows from the zeolite storage 3 into the fuel cell 4 and warm them up. From the fuel cell 4 The warm exhaust air flows out and can through the zeolite heat exchanger 4 and a dehumidifying / humidifying unit designed as a heat exchanger 7 . 8th . 2 Partially dissipate the heat to the supply air (air preheating). Since the exhaust air usually still contains enough oxygen for the fuel cell - especially during the heating process, the oxygen concentration is not critical anyway -, the exhaust air can also be partially circulated, that is from the dehumidifier 7 to the pump 1 be recirculated to minimize heat loss. Thus, a rapid heating of the fuel cell can be achieved at startup.

Wenn die Brennstoffzelle ihre nötige Betriebstemperatur erreicht hat, so genügt die beim Betrieb der Brennstoffzelle entstehende Abwärme. Eine Vorwärmung ist dann nicht mehr erforderlich. In diesem Fall kann dann die Zuluft über den Umleitungspfad 6 am Zeolithspeicher 3 und an der Adsorptivzufuhreinheit 2 vorbeigeführt werden. Bei dieser Betriebsführung kann der Befeuchter 2 außer Betrieb genommen werden. Bei Bedarf ist es auch möglich, die Zuluft teilweise über den Umleitungspfad 6 und teilweise durch den Zeolithspeicher 3 zu leiten. Je nach Betriebszustand und Wärmebedarf lässt sich die Abluft auch schon am ersten Gasauslass 5 oder am zweiten Gasauslass 9 ausleiten.When the fuel cell has reached its required operating temperature, the waste heat produced during operation of the fuel cell is sufficient. Preheating is then no longer necessary. In this case, then the supply air via the diversion path 6 at the zeolite storage 3 and at the adsorptive feed unit 2 be passed. In this operation, the humidifier 2 be taken out of service. If necessary, it is also possible to supply some of the incoming air via the diversion path 6 and partly through the zeolite storage 3 to lead. Depending on the operating condition and heat requirement, the exhaust air can also be at the first gas outlet 5 or at the second gas outlet 9 Dredge.

Um den Zeolithspeicher wieder zu desorbieren, kann Abluft durch den Wärmetauscher im Zeolithspeicher 3 strömen und den Zeolith desorbieren. Dabei kann weiterhin (unbefeuchtete) Zuluft durch den Zeolithspeicher 3 in einem gewissen Umfang strömen. Um unbefeuchetete Zuluft in den Zeolithspeicher strömen zu lassen, kann die Zuluft im Umleitungspfad 6 am Befeuchter 2 vorbei geführt werden und anschließend in den Zeolithspeicher 3 gefördert werden. Dort wird die Zuluft erwärmt und nimmt auch die ausgetriebene Feuchtigkeit auf. Eine gewisse Feuchtigkeitsmenge kann in der Brennstoffzelle beim Betrieb ohnehin erwünscht sein, so dass diese Betriebsweise vorteilhaft ist. Die Abluft strömt nun weiter vom Zeolithspeicher 3 in den Entfeuchter 7. Die im Entfeuchter 7 abgeschiedene Flüssigkeit fließt in den Vorratstank 8. Aus dem Vorratstank 8 kann das Wasser wieder zur Befeuchtung in den Befeuchter 2 gefördert werden. Die entfeuchtete Abluft kann nun wieder von der Pumpe 1 in das System zurückgeführt oder an die Umgebung abgelassen werdenTo desorb the zeolite storage again, exhaust air can pass through the heat exchanger in the zeolite 3 pour and desorb the zeolite. In addition, (non-humidified) supply air can pass through the zeolite reservoir 3 to a certain extent. In order to allow un-humidified supply air to flow into the zeolite reservoir, the supply air in the bypass path 6 at the humidifier 2 passed and then into the Zeolithspeicher 3 be encouraged. There, the supply air is heated and also absorbs the expelled moisture. A certain amount of moisture may be desired in the fuel cell during operation anyway, so that this mode of operation is advantageous. The exhaust air now flows further from the zeolite storage 3 in the dehumidifier 7 , The in the dehumidifier 7 separated liquid flows into the storage tank 8th , From the storage tank 8th The water can be re-humidified in the humidifier 2 be encouraged. The dehumidified exhaust air can now be returned from the pump 1 be returned to the system or drained to the environment

Beim Abschalten des Systems wird die Brennstoffzelle 4 und der Zeolithspeicher 3 verbunden und gemeinsam gegenüber der Umgebung verschlossen. Vorhandene Restfeuchte wird nun automatisch im Zeolithspeicher 3 adsorbiert. Damit wird vermieden, dass sich in der Brennstoffzelle Wasser abscheidet, das beim Stillstand der Brennstoffzelle diese beschädigen kann, wobei wie eingangs erwähnt, insbesondere Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membrane oft nicht mit flüssigem Wasser in Berührung kommen dürfen, da sonst die für die Leitfähigkeit verantwortliche Säure (i. A. Phosphorsäure) ausgespült wird. Hinzu kommt, dass Phosphorsäure hydrophil ist und Wasser aus der Umgebung anzieht.When switching off the system, the fuel cell 4 and the zeolite storage 3 connected and locked together against the environment. Existing residual moisture is now automatically in the Zeolithspeicher 3 adsorbed. This avoids water being deposited in the fuel cell, which can damage the fuel cell when the fuel cell is at a standstill, and as mentioned above, in particular high-temperature polymer electrolyte membranes are often not allowed to come into contact with liquid water, since otherwise for the conductivity responsible acid (ia phosphoric acid) is rinsed out. In addition, phosphoric acid is hydrophilic and attracts water from the environment.

11
Pumpepump
22
Befeuchterhumidifier
33
Zeolithspeicherzeolite storage
44
Brennstoffzellefuel cell
55
erster Gasauslassfirst gas outlet
66
Umleitungspfadredirection path
77
Entfeuchterdehumidifiers
88th
Vorratsbehälterreservoir
99
zweiter Gasauslasssecond gas outlet

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Claims (14)

Brennstoffzelle (4) mit einer Adsorptionseinheit (3) und einer Adsorptivzufuhreinheit (2), wobei die Adsorptivzufuhreinheit (2) geeignet ist Adsorptiv zur Adsorption in der Adsorptionseinheit (3) bereitzustellen, und wobei die Adsorptionseinheit (3) ausgelegt ist, zugeführtes Gas durch Adsorption zu trocknen und/oder bei der Adsorption Wärme zur Erwärmung der Brennstoffzelle (4) bereitzustellen.Fuel cell ( 4 ) with an adsorption unit ( 3 ) and an adsorptive feed unit ( 2 ), wherein the adsorptive feed unit ( 2 ) Adsorptive for adsorption in the adsorption unit ( 3 ), and wherein the adsorption unit ( 3 ) is adapted to dry supplied gas by adsorption and / or during adsorption heat to heat the fuel cell ( 4 ). Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorptivzufuhreinheit (3) geeignet ist, dem zugeführten Gas zur Brennstoffzelle (4) Adsorptiv zuzuführen.Fuel cell according to claim 1, characterized in that the Adsorptivzufuhreinheit ( 3 ) is suitable, the supplied gas to the fuel cell ( 4 ) Adsorptive supply. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorptivzufuhreinheit (2) eine Befeuchtungseinheit ist und das Adsorptiv Wasser ist.Fuel cell according to one of claims 1 or 2, characterized in that the Adsorptivzufuhreinheit ( 2 ) is a moistening unit and the adsorbent is water. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (4) in der Startphase durch das zugeführte Gas und/oder durch Wärmeleitung erwärmt werden kann.Fuel cell according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell ( 4 ) can be heated in the start phase by the supplied gas and / or by heat conduction. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Adsorptionseinheit (3) als Adsorbens Zeolith eingesetzt ist.Fuel cell according to one of the preceding claims, characterized in that in the adsorption unit ( 3 ) is used as adsorbent zeolite. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, mit Abwärme der Brennstoffzelle (4) das Adsorbens zu desorbieren und das Adsorptiv auszutreiben.Fuel cell according to one of the preceding claims, characterized in that means are provided, with waste heat of the fuel cell ( 4 ) to desorb the adsorbent and expel the adsorptive. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgas der Brennstoffzelle (4) enthaltenes Adsorptiv abgeschieden werden kann, wobei vorzugsweise das so gewonnene Adsorptiv der Adsorptivzufuhreinheit (3) bereitgestellt werden kann.Fuel cell according to one of the preceding claims, characterized in that in the exhaust gas of the fuel cell ( 4 ) adsorptive can be deposited, wherein preferably the thus obtained adsorptive Adsorptivzufuhreinheit ( 3 ) can be provided. Brennstoffzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Abscheidung freiwerdende Wärme an die Adsorptivzufuhreinheit (3) übertragbar ist.Fuel cell according to claim 7, characterized in that released during the deposition of heat to the Adsorptivzufuhreinheit ( 3 ) is transferable. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trocknung der Brennstoffzelle (4) bei deren Abschaltung mit Hilfe der Adsorptionseinheit (3) erfolgen kann.Fuel cell according to one of the preceding claims, characterized in that a drying of the fuel cell ( 4 ) when switched off with the aid of the adsorption unit ( 3 ). Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen vorhanden sind, mit deren Hilfe Abgas aus der Brennstoffzelle (4) als zugeführtes Gas genutzt werden kann.Fuel cell according to one of the preceding claims, characterized in that there are devices with the aid of which exhaust gas from the fuel cell ( 4 ) can be used as supplied gas. Verfahren zur Erwärmung einer Brennstoffzelle (4), indem einer Adsorptionseinheit (3) mit einer Adsorptivzufuhreinheit Adsorptiv zugeführt wird und das zugeführte Gas zur Brennstoffzelle (4) bei der Strömung durch die Adsorptionseinheit (3) getrocknet wird, wobei die freiwerdende Wärme die Brennstoffzelle (4) erwärmt.Method for heating a fuel cell ( 4 ) by an adsorption unit ( 3 ) is adsorptively supplied with an adsorptive feed unit and the supplied gas to the fuel cell ( 4 ) during the flow through the adsorption unit ( 3 ), wherein the heat released, the fuel cell ( 4 ) is heated. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem zugeführten Gas zur Brennstoffzelle (4) Adsorptiv zugeführt wird, wobei das mit Adsorptiv versehene zugeführte Gas durch die Adsorptionseinheit zur Brennstoffzelle strömt.A method according to claim 11, characterized in that the supplied gas to the fuel cell ( 4 ) Is supplied adsorptively, wherein the adsorptive supplied gas flows through the adsorption to the fuel cell. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Adsorptiv Wasser eingesetzt wird.Method according to one of claims 11 or 12, characterized in that water is used as Adsorptiv. Verfahren zur Trocknung einer Brennstoffzelle aufgebaut nach den Ansprüchen 1 bis 10, wobei die mit der Adsorptionseinheit verbundene Brennstoffzelle (4) gegenüber der Umgebung so abgeschlossen wird, dass vorhandene Restfeuchte von in der Adsorptionseinheit (3) vorhandenem Adsorbens adsorbiert wird.A method of drying a fuel cell constructed according to claims 1 to 10, wherein the fuel cell connected to the adsorption unit ( 4 ) is sealed off from the environment in such a way that the residual moisture present in the adsorption unit ( 3 ) adsorbs existing adsorbent.
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