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Die
Erfindung betrifft eine Konditioniervorrichtung für ein
Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle, wobei
die Konditioniervorrichtung sowohl einer Befeuchtung als auch einer Temperierung
eines ersten Stoffstroms dient, gemäß des Oberbegriffs
von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem
gemäß des Anspruches 11 sowie ein Verfahren gemäß des Oberbegriffs
von Anspruch 12.
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Stand der Technik
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Damit
in einer Brennstoffzelle durch eine elektrochemische Umsetzung elektrische
Spannung erzeugt werden kann, muss sowohl eine Anode mit einem Brennstoff
aus einem Anodeneingangsstrom und eine Kathode mit einem Oxidationsmittel
aus einem Kathodeneingangsstrom versorgt werden. Ein erwärmter
Anodenausgangsstrom und Kathodenausgangsstrom mit einer veränderten
chemischen Zusammensetzung verlässt die Brennstoffzelle
nach der elektrochemischen Reaktion. Damit eine Brennstoffzelle
ohne Schädigung einer Membran zwischen Anode und Kathode
und mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann, müssen
der Anoden- und der Kathodeneingangsstrom eine Temperatur in einem
vorgegebenen Temperaturbereich und eine vorgegebene Feuchtigkeit
einhalten. Dies gilt insbesondere für eine Brennstoffzelle,
bei der die Membran als Festkörperelektrolyt, insbesondere
als Protonen leitender Festkörperelektrolyt, fungiert.
Hierzu können vor der Brennstoffzelle eine Befeuchtungsvorrichtung
und eine Temperiervorrichtung als zwei unabhängige Baueinheiten
vorgesehen sein. Nachteilig ist hierbei, dass zwischen den Baueinheiten Rohre
verwendet werden müssen, was einen zusätzlichen
Strömungswiderstand darstellt und zusätzliche Kosten
verursacht.
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Die
US 6 106 964 offenbart eine
kombinierte Befeuchtungs- und Erwärmungsvorrichtung, in
der ein Eingangsstrom durch eine wasserdurchlässige Membran
von einem Ausgangsstrom getrennt ist. Hierbei wird der Eingangsstrom
durch den durch die Membran diffundierende Wasserdampf erwärmt
und befeuchtet. Nachteilig hierbei ist, dass hauptsächlich Wärme
durch den diffundierenden Wasserdampf übertragen wird,
so dass die Höhe des Wärmeübertrags nicht
unabhängig von einer Befeuchtungsrate eingestellt werden
kann. Ein weiterer Nachteil ist, dass Wärme von einem gasförmigen
Medium übertragen wird, so dass, um eine ausreichenden
Wärmeübertrag zu erreichen, eine große
Austauschfläche zur Verfügung stehen muss. Auch
muss der Eingangsstrom kälter als der Ausgangsstrom sein.
Ein wärmerer Eingangsstrom könnte auch von dem selbst
erwärmten Ausgangsstrom nur unzureichend abgekühlt
werden. Zudem kann ein warmer Eingangsstrom zuviel Feuchtigkeit
aufnehmen, so dass die Anwendung der Vorrichtung auf kalte Eingangsströme
mit einem großen Raumbedarf eingeschränkt ist.
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Die
US 6 013 385 offenbart,
dass ein Kathodeneingangsstrom zunächst komprimiert und
dabei erwärmt wird. In den Kathodeneingangsstrom werden
Wassertröpfchen durch eine Düse eingebracht. Durch
die Verdampfungswärme des Wassers wird der Kathodeneingangsstrom
abgekühlt. Danach wird durch ein Enthalpierad, das zwischen
dem Kathodenausgangsstrom und dem Kathodeneingangsstrom angeordnet,
Wasserdampf und damit Wärme und Feuchtigkeit aus dem Kathodenausgangsstrom in
den Kathodeneingangsstrom übertragen. Dadurch, dass mit
der Verdampfung der Wassertröpfchen Kälte und
Feuchtigkeit zugleich in dem Kathodeneingangsstrom erzeugt wird
und danach Wärme und Feuchtigkeit zugleich aus dem Kathodenausgangsstrom übernommen
werden, kann ebenfalls eine von der Befeuchtung unabhängige
Temperierrate nur schwierig erreicht werden. Weiterhin muss das Enthalpierad
mit einem Motor betrieben werden und benötigt daher eine
externe Energiezufuhr. Zudem ist ein Enthalpierad aufgrund seiner
geometrischen Form schwer zu integrieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine kompakte Vorrichtung und ein Verfahren
zur Verfügung zu stellen, in der ein Stoffstrom, insbesondere
ein Eingangsstrom der Brennstoffzelle, sowohl befeuchtet als auch
temperiert wird, wobei die Befeuchtungsrate und die Temperierrate
unabhängig voneinander einstellbar sein sollen. Die Vorrichtung
soll vorzugsweise als passive Komponente, d. h. ohne externe Energiezufuhr,
auskommen und insbesondere auch zur Abkühlung eines komprimierten
Eingangsstroms dienen können. Weiterhin soll die Vorrichtung
vorzugsweise einen geringen Platzbedarf aufweisen.
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Zur
Lösung der Aufgabe wird eine Konditioniervorrichtung mit
den Merkmalen des Anspruches 1, insbesondere des kennzeichnenden
Teils, vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Konditioniervorrichtung
sind in den abhängigen Vorrichtungsansprüchen
angegeben. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein
Brennstoffzellensystem des Anspruchs 11 und durch ein Verfahren
gemäß dem unabhängigen Anspruches 12.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in dem abhängigen
Verfahrensanspruch angegeben. Merkmale und Details, die im Zusammenhang
mit der erfindungsgemäßen Konditioniervorrichtung
beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch
im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
und umgekehrt. Dabei können die in den Ansprüchen
und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln
für sich oder in Kombination erfindungswesentlich sein.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass eine erste Einheit der Konditioniervorrichtung
der Temperierung des ersten Stoffstroms dient und eine zweite Einheit
der Konditioniervorrichtung vorrangig der Befeuchtung des ersten
Stoffstroms dient und die erste Einheit und die zweite Einheit gemeinsam
eine Baueinheit bilden. Dadurch dass in der ersten Einheit der erste
Stoffstrom lediglich temperiert und nicht befeuchtet wird, kann
eine gewünschte Temperatur des ersten Stoffstroms unabhängig
von dem gewünschten Befeuchtungsgrad eingestellt werden.
Hierzu ist das verwendete Material zwischen dem ersten Stoffstrom
und einem zweiten Stoffstroms, der zur Wärmeübertragung
aus oder in den ersten Stoffstrom in der ersten Baueinheit dient,
wasserundurchlässig. Vor dem Betrieb des Brennstoffzellensystems
kann die gewünschte Temperierung durch die Wahl des zweiten
Stoffstroms vorgegeben werden, so dass sowohl eine Erwärmung
als auch ein Abkühlung des ersten Stoffstroms in der erfindungsgemäßen
Konditioniervorrichtung möglich ist. Durch die Wahl der baulichen
Gegebenheiten und Abmessungen und der verwendeten Materialien der
ersten Einheit kann die Höhe des Wärmeübertrags
unabhängig von der Befeuchtungsrate dimensioniert werden.
Analoges gilt für die zweite Baueinheit, wobei ein dritter Stoffstrom
zur Abgabe von Feuchtigkeit ausgewählt und eingestellt
werden kann und die Abmessungen und Materialien der zweiten Einheit
unabhängig von der ersten Einheit gewählt werden
können, so dass eine Befeuchtung des ersten Stoffstroms
in der zweiten Einheit unabhängig vom Wärmeübertrag
in der ersten Einheit erfolgt. Dass die zweite Einheit nur vorrangig
der Befeuchtung dient, bedeutet, dass beim Übergang von
Wasser in den ersten Stoffstrom auch die Temperatur des ersten Stoffstroms
verändert wird, sei es z. B., weil wärmerer Wasserdampf
in den ersten Stoffstrom eindringt oder weil beim Verdampfen von
flüssigen Wasser Verdampfungswärme aus dem ersten
Stoffstrom genommen wird. Diese Temperaturänderung ist
bei der Temperierungsrate der ersten Einheit zu berücksichtigen.
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Der
erste Stoffstrom kann ein Kathodeneingangsstrom oder ein Anodeneingangsstrom
sein. Da der Anodeneingangsstrom häufig durch eine Rückführung
mindestens eines Teils eines Anodenausgangsstroms in den Anodeneingangsstrom
temperiert und befeuchtet wird, kann die Konditioniervorrichtung
insbesondere beim Kathodeneingangsstrom eingesetzt werden. Der erste
Stoffstrom kann in der Konditioniervorrichtung erwärmt
oder gekühlt werden. Wird der Kathodeneingangsstrom direkt
aus einem Tank oder einer Umgebungsluft verwendet, so muss der Kathodeneingangsstrom
erwärmt werden. Wird der Kathodeneingangsstrom komprimiert,
z. B. wenn der Kathodeneingangsstrom aus der Umgebungsluft durch
Kompression gewonnen wird, so muss der Kathodeneingangsstrom abgekühlt
werden.
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Als
zweiter und dritter Stoffstrom kann unabhängig von der
Wahl des ersten Stoffstroms jeweils der Kathodenausgangsstrom, der
Anodenausgangsstrom oder mindestens ein Teilstrom eines Kühlmittelstroms
verwendet werden. Der zweite und der dritte Stoffstrom können
ein und derselbe Stoffstrom sein. Hierbei kann durch die Wahl der
baulichen Abmessungen der ersten und der zweiten Einheit eine Unabhängigkeit
von Wärme- und Feuchtigkeitsübertrag erreicht
werden. Vorzugsweise sind aber zwei verschiedene Stoffströme
als zweiter und dritter Stoffstrom vorgesehen, um auch im Betrieb
Wärme- und Feuchtigkeitsübertrag unabhängig
steuern oder regeln zu können. So kann durch die Durchflussrate und
Temperatur des zweiten Stoffstroms die gewünschte Temperatur
des ersten Stoffstroms in der ersten Einheit und durch eine unabhängige
Durchflussrate des dritten Stoffstroms die Feuchtigkeit in der zweiten
Einheit eingestellt werden.
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Insbesondere
kann es sich bei dem zweiten Stoffstrom um mindestens den Teilstrom
des Kühlmittelstroms handeln. Dadurch dass der Kühlmittelstrom hauptsächlich
flüssiges Wasser und damit eine große Wärmekapazität
aufweist, kann pro Volumeneinheit des Kühlmittelstroms
viel Wärme übertragen werden. Hierdurch sind kleine
räumliche Abmessungen der ersten Einheit realisierbar,
so dass die Konditioniervorrichtung kompakt ist. Der dritte Stoffstrom
kann insbesondere der Kathodenausgangsstrom sein, da dieser kontinuierlich
die Brennstoffzelle verlässt und über ausreichende
Feuchtigkeit verfügt. In diesem Fall verliert der Kathodenausgangsstrom
in der zweiten Einheit Feuchtigkeit.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die erste Einheit ein Rohrbündelwärmeüberträger
ist, wobei im Rohrbündelwärmeüberträger
der erste Stoffstrom durch einen ersten Rohrraum führbar
ist und der zweite Stoffstrom durch einen ersten Mantelraum führbar
ist. In der zweiten Einheit kann der erste Stoffstrom durch einen
zweiten Rohrraum und der dritter Stoffstrom des Brennstoffzellensystems
in einem zweiten Mantelraum führbar sein. Die Führung des
ersten Stoffstroms in dem ersten und dem zweiten Rohrraum ist vorteilhaft,
weil einzelne Rohre des ersten Rohrraums und einzelne Rohre des
zweiten Rohrraums auf einer Achse liegen und insbesondere denselben
Rohrdurchmesser haben können, so dass der erste Stoffstrom
Strömungsrichtung und -geschwindigkeit beim Übergang
von der ersten Einheit in die zweite Einheit beibehalten kann. Auch
ist dadurch ein einfacher und kompakter Aufbau der Konditionierungseinheit
möglich. Lediglich das Material der Rohre muss in der ersten
Einheit wasserundurchlässig und in der zweiten Einheit
wasserdurchlässig gewählt werden. Dadurch dass
der Kühlmittelstrom durch eine Brennstoffzelle aus deionisiertem
Wasser ist, können die Rohre der ersten Baueinheit aus Gründen
des Korrosionsschutzes aus Edelstahl sein, während die
Rohre der zweiten Baueinheit Hohlfasern, die auch wasseraufsaugend
sind, aufweisen können. Generell kann jedoch auch der erste Stoffstrom
durch den ersten und den zweiten Mantelraum und der zweite Stoffstrom
in dem ersten und der dritte Stoffstrom in dem zweiten Rohrraum
geführt werden. Auch ist eine andere Art Wärmeüberträger, z.
B. ein Platten- oder Spiralwärmeüberträger,
einsetzbar.
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Vorzugsweise
liegt die erste Einheit in Strömungsrichtung des ersten
Stoffstroms vor der zweiten Einheit, so dass erst die Temperierung
und danach die Befeuchtung erfolgt. Hierdurch wird erreicht, dass
der erste Stoffstrom nur die Menge Feuchtigkeit aufnimmt, die seiner
gewünschten Temperatur angemessen ist. So könnte
ein zu warmer erster Stoffstrom andernfalls beispielsweise zunächst
zu viel Wasser aufnehmen, das dann beim Abkühlen des ersten
Stoffstroms auskondensieren und den Strömungsweg verstopfen
kann.
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Um
einen möglichst hohen Wärmeübertrag auf
einer kleinen Fläche zu haben, kann es vorgesehen sein,
dass der erste Stoffstrom und der zweite Stoffstrom in der ersten
Einheit im Gegenstrom strömen. Für einen hohen
Feuchtigkeitsaustausch können ebenfalls der erste Stoffstrom
und der dritte Stoffstrom in der zweiten Einheit im Gegenstrom zueinander
verlaufen.
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Durch
die kompakte Bauweise und Integration der ersten und der zweiten
Einheit in einer Baueinheit und dadurch dass der zweite und der
dritte Stoffstrom vorzugsweise zwei separate Stoffströme sind,
ist es zusätzlich denkbar, dass der zweite und der dritte
Stoffstrom sich ebenfalls konditionieren, z. B. dass der zweite
oder dritte Stoffstrom von dem jeweils anderen temperiert, befeuchtet
und/oder deionisiert wird. Es kann z. B. mindestens ein Partialstrom
des zweiten Stoffstroms durch den dritten Stoffstrom temperiert
werden. Mindestens ein Partialstrom bedeutet, dass auch der gesamte
zweite Stoffstrom temperiert werden kann. Insbesondere kann ein
durch den Wärmeübertrag in der ersten Einheit
erwärmter Partialstrom des Kühlmittelstroms durch
einen kälteren dritten Stoffstrom abgekühlt werden.
Hierdurch wird eine verfügbare Kühlleistung des
Brennstoffzellensystems erhöht, was insbesondere bei einem
Volllastbetrieb des Brennstoffzellensystems von Bedeutung ist, da
Brennstoffzellensysteme nach dem Stand der Technik im Volllastbetrieb unter
einem Kühlleistungsdefizit leiden, so dass eine Leistungsbegrenzung
des Brennstoffzellensystems notwendig ist. Bei dem erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystem kann durch die Abkühlung des Partialstroms
die Leistungsbegrenzung des Brennstoffzellenstapels verschoben werden.
Ein solcher Volllastbetrieb kann bei einem Einsatz des Brennstoffzellensystems
in einem Kraftfahrzeug bei Bergfahrten als auch bei Höchstgeschwindigkeit
auftreten.
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Zum
Temperieren des Partialstroms kann in der Konditioniereinheit in
der ersten oder in der zweiten Einheit ein Wärmetauscher
angeordnet sein. Bei dem Wärmetauscher kann es sich um
einen weiteren Rohrbündelwärmeüberträger
handeln, jedoch sind ebenfalls die oben aufgeführten anderen
Wärmeüberträgerbauarten denkbar. Der
Partialstrom kann in einen dritten Mantelraum und der dritte Stoffstrom durch
eine dritten Rohrraum oder umgekehrt strömen. Ebenfalls
ist es möglich, den Wärmetauscher so auszugestalten,
dass Ionen aus dem Partialstrom durch in den dritten Strom überführt
werden. Hierbei kann zumindest ein Teil des Wärmetauschers
als elektrische Deionisierungsvorrichtung fungieren. Dies kann erforderlich
sein, da der Kühlmittelstrom, der durch die Brennstoffzelle
fließt, deionisiert sein muss, um einen Kurzschluss in
der Brennstoffzelle zu verhindern.
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Die
so eingerichtete Konditionierungsvorrichtung ist ein passives Bauelement
im Brennstoffzellensystem, das ohne eine eigene Energieversorgung
und ohne einen Motor auskommt.
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Die
Konditioniervorrichtung ist bei allen Brennstoffzellen, bei denen
die Befeuchtung eines Festkörperelektrolyten notwendig
ist, einsetzbar. So zum Beispiel bei einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle
mit Wasserstoff als Brennstoff oder einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle.
Anstelle einer einzelnen Brennstoffzelle kann auch ein Brennstoffzellenstapel
eingesetzt werden. Die Brennstoffzelle kann zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges
verwendet werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls durch ein Verfahren zum Temperieren
und Befeuchten des ersten Stoffstroms gelöst, wobei der
erste Stoffstrom zwar in einer Baueinheit temperiert und auch befeuchtet
wird, jedoch die Höhe des Wärmeübergangs
aus dem oder in den ersten Stoffstrom unabhängig vom Grad
der Befeuchtung eingestellt werden kann.
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Weitere
die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der
Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche
aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung
hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich
konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnung und Verfahrensschritte, können
sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen
erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
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1A ein
erstes erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem
mit einer erfindungsgemäßen Konditioniervorrichtung,
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1B ein
zweites erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem
mit einer erfindungsgemäßen Konditioniervorrichtung,
die an einer anderen Stelle eingebaut ist
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2 eine
erfindungsgemäße Konditioniervorrichtung im Längsschnitt,
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3 die
erfindungsgemäße Konditioniervorrichtung in einem
Querschnitt gemäß der Linie II der 2 und
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Konditioniervorrichtung mit einer elektrischen Deionisierungsvorrichtung.
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In 1A ist
ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems 12 mit einem Brennstoffzellenstapel 11 dargestellt. Um
den Brennstoffzellenstapel 11 betreiben zu können,
wird Wasserstoff als Brennstoff in einem Anodeneingangsstrom 22 gemäß dem
Pfeil 28 dem Brennstoffzellenstapel 11 zugeführt.
Ein um den abreagierten Wasserstoff verringerter Anodenausgangsstrom 23 verlässt
gemäß dem Pfeil 28' den Brennstoffzellenstapel 11.
Als Oxidationsmittel für die elektrochemische Reaktion
wird dem Brennstoffzellenstapel 11 sauerstoffenthaltende
Luft aus der Umgebung 19 in einem Kathodeneingangsstrom 20 zugeführt.
Die Luft wird zunächst in einem Verdichter 13 verdichtet,
durchläuft dann eine erfindungsgemäße Konditioniervorrichtung 10 und
erreicht temperiert und befeuchtet den Brennstoffzellenstapel 11 gemäß den
Pfeilen 27. Ein sauerstoffärmerer und mit Wasser angereicherter
erwärmter Kathodenausgangsstrom 21 verlässt
den Brennstoffzellenstapel 11 gemäß den Pfeilen 27' und
durchläuft die Konditioniervorrichtung 10.
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Das
Brennstoffzellensystem 12 weist auch ein Kühlsystem 30 auf.
Hierbei durchfließt ein Kühlmittelstrom 24 in
einem Hauptströmungsweg 24' den Brennstoffzellenstapel 11.
Der Kühlmittelstrom 24 fließt gemäß dem
Pfeil 29. Der Kühlmittelstrom 24 wird
von einer Pumpe 15 befördert. In einem Kühler 17 kann
ein erster Partialstrom 24.1 des Kühlmittelstroms 24,
nachdem er durch den Brennstoffzellenstapel 11 erwärmt
worden ist, wieder abgekühlt werden. Der erste Partialstrom 24.1,
der den Kühler 17 durchströmt, lässt
sich mit einem Regelventil 16 einstellen, wobei durch einen
Bypass 26 ein erster Anteil 24.2 des Kühlmittelstroms 24 fließen
kann. Der Kühlmittelstrom 24 durchfließt
die erfindungsgemäße Kondittioniervorrichtung 10,
um den Kathodeneingangsstrom 20 zu kühlen. Eine
Kühlmittelstromtemperatur wird durch drei Temperatursensoren 18, 18', 18'' vor
und hinter dem Brennstoffzellenstapel 11 und hinter dem
Kühler 17 kontrolliert. Eine auf die Messung der
Kühlmittelstromtemperatur basierende Kühlmittelstromtemperaturregelung,
die eine elektrische Leistung der Kühlmittelpumpe 15,
einen Öffnungsgrad des Regelventils 16 und/oder
eine elekrische Leistung eines Kühlerlüfters 17' einstellen
kann, regelt die in der Konditioniervorrichtung 10 übertragene
Wärme mit aus.
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In 1A ist
die Konditioniervorrichtung 10 so angeordnet, dass innerhalb
der Konditioniervorrichtung 10 eine erste Verzweigung 70 in
den ersten Partialstrom 24.1 und den ersten Anteil 24.2 liegt.
Der erste Partialstrom 24.1 kann in der Konditioniervorrichtung 10 durch
den Kathodenausgangsstrom 21 in einem Wärmetauscher 49 gekühlt
werden, so dass der Wärmetauscher 49 und der Kühler 17 als
zwei in Serie geschaltete Kühleinrichtungen zu verstehen sind,
wobei durch eine Vorkühlung des ersten Partialstroms 24.1 im
Wärmetauscher 49 die Leistung des Kühlerlüfters 17' reduziert
werden kann.
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In 1B ist
ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems 12 dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen
für gleiche Komponenten und Pfeile verwendet werden. 1B unterscheidet
sich von 1A dadurch, dass die Konditioniervorrichtung 10 vor
dem Brennstoffzellenstapel 11 angeordnet ist. In der Konditioniervorrichtung 10 kann
eine zweite Verzweigung des Kühlmittelstrom 24 in
einen zweiten Partialstrom 25.1 und einen zweiten Anteil 25.2 des
Kühlmittelstroms 24 erfolgen. Hierbei kann der
zweite Partialstrom 25.1 durch den Kathodenausgangsstrom 21 gekühlt und
gemäß einem Partialströmungspfad 25' vor
das Regelventil 16 und hinter den Kühler 17 zurückgeführt
werden. Der erste Partialstrom 24.1 wird in dem zweiten
Ausführungsbeispiel nicht durch die Konditioniervorrichtung 10 gekühlt.
Der Temperatursensor 18'' befindet sich zwischen dem Regelventil 16 und der
Stelle 14, an der der erste Partialstrom 24.1 und der
zweite Partialstrom 25.1 zusammentreffen. Die Höhe
des zweiten Partialstroms 25.1 ist damit von einem Öffnungsgrad
des Regelventils 16 abhängig und somit einstellbar.
Dies ist sinnvoll, da bei hoher Kühlleistung das Regelventil 16 so
gestellt ist, dass sich der durch den Kühler 17 gekühlte
erste Partialstrom 24.1 des Kühlmittelstroms 24 als
auch der zweite Partialstrom 25.1 erhöht. Alternativ
kann der Partialströmungspfad 25' auch nach dem
Regelventil 16 und vor der Pumpe 15 mit einem
eigenen Regelventil enden (nicht dargestellt). Der zweite Anteil 25.2 des Kühlmittelstroms 24,
der den Brennstoffzellenstapel 11 durchströmt,
wird durch den Wärmeübertrag aus dem Kathodeneingangsstrom 20 in
der Konditioniervorrichtung 10 leicht erwärmt,
so dass eine Kühlmittelstromeintrittstemperatur in die
Konditioniervorrichtung 10 leicht unterhalb einer Kühlmittelstromtemperatur
an einem Brennstoffzelleneintritt mit Hilfe der Kühlmittelstromtemperaturregelung
eingeregelt wird.
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In
beiden Ausführungsbeispielen wird ein erster Partialstrom 24.1 oder
ein zweiter Partialstrom 25.1 des Kühlmittelstroms 24 durch
die Konditioniervorrichtung 10 zusätzlich gekühlt,
so dass der Kühlerlüfter 17' eine geringere
elektrische Leistung als ohne zusätzliche Kühlung
aufnehmen muss. Ebenfalls wird die verfügbare Kühlleistung
des Brennstoffzellensystems 12 durch die zusätzliche
Kühlung erhöht, wenngleich ein Wärmeeintrag
in das Kühlsystem durch die Konditioniervorrichtung 10 insgesamt
zunimmt. Vorteile des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 1A gegenüber
dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 1B sind,
dass im ersten Ausführungsbeispiel der gesamte von der
Pumpe 15 geförderte Kühlmittelstrom 24 den
Brennstoffzellenstapel 11 durchfließt, dass kein
zusätzlicher Partialströmungspfad 25' notwendig
ist und dass die in 2 dargestellten Temperaturen
des ersten Ausführungsbeispiels vorteilhaft sind.
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Bei
einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems 12 kann sowohl
in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1A als
auch in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1B der
Kühlmittelstrom 24 in der Konditioniereinheit 10 durch
den Kathodeneingangsstrom 20 so erwärmt werden,
dass der Kühlmittelstrom 24 den Brennstoffzellenstapel 11 wiederum
erwärmen kann. Hierbei ist vorteilhaft, dass bereits vorhandene Wärme
im Brennstoffzellensystem 12, die bei der Kompression des
Kathodeneingangsstroms 20 entsteht, zum Aufheizen des Brennstoffzellenstapels 11 verwendet
wird. Separate Heizplatten im Brennstoffzellenstapel 11 oder
separate Erwärmungsvorrichtungen für den Kühlmittelstrom 24 können
daher erfindungsgemäß wegfallen oder verkleinert
werden.
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In 1A und 1B durchfließt
der gesamte Hauptstrom 24 die Konditioniervorrichtung 10. Es
ist aber auch denkbar, dass nur ein Teilstrom des Kühlmittelstroms 24 die
Konditioniervorrichtung 10 durchfließt. Hierzu
wird ein weiterer Bypass an der Konditioniervorrichtung 10 vorbeigeführt
(nicht dargestellt). Dieser Bypass könnte ein weiteres
Regelventil aufweisen, um den Durchfluss des Kühlmittelstroms 24 durch
die Konditioniervorrichtung 10 separat regeln zu können.
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In
einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
kann der gesamte die Konditioniervorrichtung 10 durchfließende
Kühlmittelstrom den Wärmeaustauscher 49 durchfließen
und gekühlt werden. In diesem Fall ist die Konditioniervorrichtung 10 vorzugsweise
in dem ersten Partialstrom 24.1 hinter der Verzweigung 70 angeordnet.
Der Partialströmungspfad 25' entfällt.
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In 2 ist
eine erfindungsgemäße Konditioniervorrichtung 10 dargestellt.
In der Konditionierungsvorrichtung 10 sind eine erste Einheit 41 zum Temperieren
des Kathodeneingangsstroms 20 und eine zweite Einheit 45 vorrangig
zum Befeuchten des Kathodeneingangsstroms 20 in einer Baueinheit 40 zusammengefasst.
Der Kathodeneingangsstrom 20 wird in einem Verteilraum 53 auf
die einzelnen Rohre eines ersten Rohrraums 42 der ersten
Einheit 41 aufgeteilt. Der Kathodeneingangsstrom 20 durchströmt die
Rohre des ersten Rohrraums 42, von denen nur zwei exemplarisch
in 2 dargestellt sind, gemäß den
Pfeilen 27. Hierbei gibt der Kathodeneingangsstrom 20 Wärme
an den Kühlmittelstrom 24 gemäß den
Pfeilen 31 ab, wobei der Kühlmittelstrom 24 einen
ersten Mantelraum 43 der ersten Einheit 41 im Gegenstrom
gemäß den Pfeilen 29 durchströmt.
Im ersten Mantelraum 43 können Ablenkbleche vorgesehen
sein (nicht dargestellt). Der Kathodeneingangsstrom 20,
der durch den Verdichter 13 erwärmt wurde, wird
somit in der ersten Einheit 41 gekühlt, ohne befeuchtet
zu werden. An die Rohre des ersten Rohrraums 42 schließen
sich in gleicher Richtung mit dem gleichen Durchmesser Rohre des
zweiten Rohrraums 46 der zweiten Einheit 45 an,
so dass der Kathodeneingangsstrom 20 Geschwindigkeit und
Druck beim Durchströmen des zweiten Rohrraumes 46 beibehalten
kann und keinerlei nennenswerten Strömungswiderstand erfährt.
Auch von den Rohren des zweiten Rohrraums 46 sind nur zwei
exemplarisch dargestellt.
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In
der zweiten Einheit 45 sind die Rohre des zweiten Rohrraums 46 aus
Hohlfasern hergestellt, so dass sie Feuchtigkeit des Kathodenausgangsstroms 21 aufnehmen
können. Hierzu strömt der Kathodenausgangsstrom 21 im
Gegenstrom gemäß den Pfeilen 27' in einem
zweiten Mantelraum 47 durch die zweite Einheit 45.
Flüssige Wassertropfen des Kathodenausgangsstroms 21 werden
hierbei von den Hohlfasern des zweiten Rohrraums 46 aufgenommen
und in den Kathodeneingangsstrom 20 verdampft. Die hierbei
auftretende Verdampfungswärme kühlt sowohl den
Kathodenausgangsstrom 21 als auch den Kathodeneingangsstrom 20 ab.
Diese weitere Abkühlung des Kathodeneingangsstroms 20 sollte
bei der Einstellung des Wärmeübertrags 31 in der
ersten Einheit 41 berücksichtigt werden. Auch
in der zweiten Baueinheit 45 können Umlenkbleche
im zweiten Mantelraum 47 vorgesehen sein (nicht dargestellt).
Ein befeuchteter und in etwa auf Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 11 abgekühlter
Kathodeneingangsstrom 20 verlässt die zweite Einheit 45 gemäß den
Pfeilen 27 zu einem Zusammenführungsraum 54 und
wird an den Brennstoffzellenstapel 11 weitergeleitet.
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Durch
den Übergang des ersten Rohrraums 42 in den zweiten
Rohrraum 46 wird ein kompakter Aufbau der Konditionierungsvorrichtung 10 erreicht, so
dass von einer Baueinheit 40 gesprochen werden kann. Ein
weiterer Vorteil der kompakten Bauweise ist, dass ein erster Mantel 44,
der den ersten Mantelraum 43 umgibt, und ein zweiter Mantel 48,
der den zweiten Mantelraum 47 umgibt, einstückig
und materialeinheitlich sein können. Die erste Einheit 41 und die
zweite Einheit 45 sind lediglich durch einen Boden 55 voneinander
getrennt, um den Kühlmittelstrom 24 von dem Kathodenausgangsstrom 21 zu trennen.
Wird ein und derselbe Stoffstrom zum Befeuchten als auch zum Temperieren
verwendet, so entfällt der Boden 55. Die erfindungsgemäße
Konditioniervorrichtung 10 ist einfach in das Brennstoffzellensystem 12 einzubauen,
z. B. durch Verlöten, Verschweißen oder Verbördeln.
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Durch
die Integration der ersten Einheit 41 und der zweiten Einheit 45 in
einer Baueinheit 40 und durch die dadurch entstehende räumliche
Nähe von Kathodenausgangsstrom 21 und Kühlmittelstrom 24 kann
vorgesehen sein, dass diese beiden Ströme sich ebenfalls
konditionieren. Der durch die in der zweiten Einheit 45 auftretende
Verdampfungswärme deutlich abgekühlte Kathodenausgangsstrom 21 kann
dazu verwendet werden, zumindest den ersten Partialstrom 24.1 im
Falle des ersten Ausführungsbeispiel oder den zweiten Partialstrom 25.1 im
Falle des zweiten Ausführungsbeispiels des durch den Wärmeübergang
in der ersten Einheit 41 leicht erwärmte Kühlmittelstrom 24 wieder
abzukühlen. Hierzu muss der Kathodenausgangsstrom 21 eine
geringere Temperatur als der erwärmte Kühlmittelstrom 24 aufweisen.
Ein Wärmeaustauscher 49 kann in der ersten Einheit 41 zum
Abkühlen des ersten oder zweiten Partialstroms 24.1, 25.1 integriert
sein. Der erste oder zweite Partialstrom 24.1, 25.1 strömt durch
einen dritten Mantelraum 51 gemäß den
Pfeilen 29' und wird von dem Kathodenausgangsstrom 21,
der einen dritten Rohrraum 50 des Wärmeaustauschers 49 gemäß den
Pfeilen 27' durchströmt, abgekühlt. Der
erste Mantelraum 43 und der dritte Mantelraum 51 sind
hierbei durch einen dritten Mantel 52 voneinander getrennt,
so dass der erste oder zweite Partialstrom 24.1, 25.1 von
dem Kühlmittelstrom 24 abgezweigt werden kann,
wobei ein erster Anteil 24.2 im Falle des ersten Ausführungsbeispiels
die Konditioniervorrichtung 10 ungekühlt verlässt,
um den Bypass 26 zu durchströmen oder ein zweiter
Anteil 25.2 im Falle des zweiten Ausführungsbeispiels
die Konditioniervorrichtung ungekühlt verlässt,
um den Brennstoffzellenstapel 11 zu durchströmen.
Die Bezugszeichen für das zweite Ausführungsbeispiel
sind in 2 in Klammern gesetzt. Bei zunehmender
elektrischer Leistung des Brennstoffzellenstapels 11 nimmt
sowohl die Reaktionswärme als auch die Verdampfungswärme
in der zweiten Einheit 45 zu. Eine Kopplung von der Verdampfungswärme,
mit der der erste oder zweite Partialstrom 24.1, 25.1 indirekt
gekühlt wird, mit einer durch den Kühlmittelstrom 24 abzuführenden
Reaktionswärme des Brennstoffzellenstapels 11 ist
daher besonders sinnvoll.
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Mögliche
Temperaturen der einzelnen Ströme an unterschiedlichen
Stellen gemäß des ersten Ausführungsbeispiels
sind in 2 ohne Klammern dargestellt,
mögliche Temperaturen gemäß des zweiten
Ausführungsbeispiels sind in 2 in Klammern gesetzt.
Die Temperaturangaben sind nur als Beispiel und keinesfalls einschränkend
zu verstehen.
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In 3 ist
ein Querschnitt durch die erste Einheit 41 entlang der
Linie II dargestellt. Im Gegensatz zu 2 ist nun
eine Vielzahl von Rohren des ersten Rohrraums 42 dargestellt,
die in kreisförmigen Rohrreihen angeordnet sind, wobei
die Rohrreihen radial hintereinander liegen. Der erste Mantelraum 43 wird
durch den ersten Mantel 44 begrenzt. Um den ersten Mantelraum 43 von
dem dritten Mantelraum 51 abzugrenzen, ist der dritte Mantel 52 vorgesehen.
Auch von dem dritten Rohrraum 50 sind mehrere Rohre zu
sehen. Über die Anzahl, Innendurchmesser, Materialien und
Oberflächenbeschaffenheit der Rohre des ersten Rohrraums 42 und
des dritten Rohrraums 50 kann der Wärmeübergang
bei erwarteten Temperaturen und Höhen des Kathodeneingangsstroms 20 und
des Kühlmittelstroms 24 für den ersten
Rohrraum 42 und bei erwarteten Temperaturen und Höhen
des Kathodenausgangsstroms 21 und des ersten oder zweiten
Partialstroms 24.1, 25.1 für den dritten
Rohrraum 50 dimensioniert werden.
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In 4 ist
die erste Einheit 41 entlang derselben Schnittlinie II
erneut dargestellt. Anstelle eines Rohrbündelwärmeüberträgers
als Wärmeaustauscher 49 ist eine spiralförmige
elektrische Deionisierungsvorrichtung 60 dargestellt. Die
elektrische Deionisierungsvorrichtung 60 dient ebenfalls
der Wärmeübertragung von dem erwärmten
ersten oder zweiten Partialstrom 24.1, 25.1 auf
den abgekühlten Kathodenausgangsstrom 21. Zusätzlich
ist in der elektrischen Deionisierungsvorrichtung 60 vorgesehen,
dass Ionen aus dem ersten oder zweiten Partialstrom 24.1, 25.1 in
den Anodenausgangsstrom 21 übergehen und damit
den ersten oder zweiten Partialstrom 24.1, 25.1 deionisieren.
In der Mitte der Deionisierungsvorrichtung 60 ist eine
Kathode 61 angeordnet. Eine Anode 62 bildet anstelle
des dritten Mantels 52 eine äußere Umgrenzung
der Deionisierungsvorrichtung 60. Die Anode 62 und
die Kathode 61 werden mit einer elektrischen Gleichspannung zum
Beispiel aus dem Brennstoffzellenstapel 11 versorgt. Zwischen
Kathode 61 und Anode 62 werden sowohl eine kationenselektive
Membran 63 als auch eine anionenselektive Membran 64 spiralförmig
gewickelt, so dass sich die kationenselektive Membran 63 und
anionenselektive Membran 64 radial abwechseln. Der Ionen
abgebende erste oder zweite Partialstrom 24.1, 25.1 wird
so in den Zwischenräumen zwischen anionen- und kationenselektiver
Membran 63, 64 geführt, dass er von der
kationenselektiven Membran 63 in Richtung der Kathode 61 und
von der anionenselektiven Membran 64 in Richtung der Anode 62 begrenzt
ist. Der Ionen aufnehmende Kathodenausgangsstrom 21 ist
dagegen so geführt, dass er durch die kationenselektive
Membran 63 in Richtung der Anode 62 und durch
die anionenselektive Membran 64 in Richtung der Kathode 61 begrenzt
ist. Hierdurch wird erreicht, dass Kationen, die in Richtung der
Kathode 61 wandern, aus dem ersten oder zweiten Partialstrom 24.1, 25.1 durch
die kationenselektive Membran 63 in den Kathodenausgangsstrom 21 wandern,
während die Kationen aus dem Kathodenausgangsstrom 21 nicht
die anionenselektive Membran 64 in den ersten oder zweiten
Partialstrom 24.1, 25.1 passieren können.
Analog können Anionen aus dem ersten oder zweiten Partialstrom 24.1, 25.1 in Richtung
der Anode 62 durch die anionenselektive Membran 64 in
den Kathodenausgangsstrom 21 wandern, während
die Anionen des Kathodenausgangsstroms 21 nicht die kationenselektive
Membran 63 in Richtung der Anode 62 in den ersten
oder zweiten Partialstrom 24.1, 25.1 passieren
können. Hierdurch wird der ersten oder zweiten Partialstrom 24.1, 25.1 auch
entgegen einem Konzentrationsgefälle in Richtung Kathodenausgangsstrom 21 deionisiert, während
der Kathodenausgangsstrom 21 mit Ionen angereichert wird.
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Zur
besseren Abgabe der Ionen kann in dem ersten oder zweiten Partialstrom 24.1, 25.1 ein
Ionenaustauscherbett vorgesehen sein (nicht dargestellt). Desweiteren
können, um die kationenselektive Membran 63 und
die anionenselektive Membran 64 besser zu trennen, Abstandshalter
vorgesehen sein (nicht dargestellt). Anstelle der spiralförmigen
Ausführungsform der elektrischen Deionisierungsvorrichtung 60 kann
auch eine Ausführungsform mit parallel nebeneinander liegenden
kationen- und anionenselektive Membranen 63, 64 vorgesehen
sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6106964 [0003]
- - US 6013385 [0004]