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Die Erfindung betrifft eine Befeuchtungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen, beispielsweise mehrere zu einem Brennstoffzellenstapel verbundene Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems, benötigen zur Energieerzeugung a) einen Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, der über einen Anodengaspfad einer Anode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, und b) Sauerstoff, der über einen Kathodenzuluftpfad einer Kathode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird. Als Sauerstofflieferant dient üblicherweise Luft, die der Umgebung entnommen wird. Da der Energiewandlungsprozess einen gewissen Luftmassenstrom und ein gewisses Druckniveau erfordert, wird die kathodenseitig zugeführte Luft zuvor mit Hilfe eines im Kathodenzuluftpfad angeordneten Luftverdichters verdichtet. Beim Verdichten erwärmt sich die Luft, so dass im Kathodenzuluftpfad in der Regel stromabwärts des Luftverdichters eine Kühleinrichtung zum Abkühlen der verdichteten Luft angeordnet ist. Darüber hinaus ist in der Regel eine Befeuchtungseinrichtung zum Befeuchten der zuvor verdichteten Luft vorgesehen. Das Befeuchten soll ein Austrocknen der Membranen der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels verhindern.
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Ein beispielhafter Befeuchter ist z. B. aus der Druckschrift
US2017077531A bekannt.
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Während des Energiewandlungsprozesses in den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels fällt Wasser als Nebenprodukt an. Dieses wird zusammen mit der Kathodenabluft aus dem Brennstoffzellenstapel heraus- und über einen Kathodenabluftpfad abgeführt. Da in der Kathodenabluft enthaltenes Wasser eine im Kathodenabluftpfad angeordnete und der Energierückgewinnung dienende Abgasturbine zur Energierückgewinnung beschädigen kann, beispielsweise durch Tropfenerosion oder Tropfenschlag, ist stromaufwärts der Abgasturbine in der Regel ein Wasserabscheider im Kathodenabluftpfad angeordnet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines Brennstoffzellensystems zu vereinfachen. Insbesondere sollen die Teilezahl und damit der Montageaufwand reduziert werden. Ferner soll Bauraum eingespart werden.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Befeuchtungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagene Befeuchtungseinrichtung umfasst einen Einlass und einen Auslass für ein zu befeuchtendes erstes Medium, vorzugsweise Kathodenzuluft, sowie einen Einlass und einen Auslass für ein wasserhaltiges zweites Medium, vorzugsweise Kathodenabluft. Erfindungsgemäß ist in einen Strömungspfad, der den Einlass mit dem Auslass für das wasserhaltige Medium verbindet, ein Wasserabscheider integriert.
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Durch die vorgeschlagene Integration des Wasserabscheiders in die Befeuchtungseinrichtung werden zwei an sich eigenständige Komponenten eines Brennstoffzellensystems zu einer baulichen Einheit zusammengefasst. Das heißt, dass Schnittstellen wegfallen sowie die hierfür erforderlichen Verbindungsteile, wie beispielsweise Flansche, Schlauchstutzen und/oder Schnellkupplungen. Entsprechend reduziert sich die Teilezahl eines die Befeuchtungseinrichtung aufweisenden Brennstoffzellensystems. Mit Wegfall der Schnittstellen sinkt zugleich der Montageaufwand, während die Robustheit des Brennstoffzellensystems steigt.
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Die verringerte Teilezahl senkt zudem den Bauraumbedarf eines die Befeuchtungseinrichtung aufweisenden Brennstoffzellensystems. Mit der Reduzierung des Bauraumbedarfs wiederum geht eine erhöhte Leistungsdichte des Brennstoffzellensystems einher.
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Der den Wasserabscheider aufnehmende Strömungspfad ist vorzugsweise durch eine Befeuchterfunktionsgruppe geführt. Innerhalb der Befeuchterfunktionsgruppe kann das wasserhaltige Medium in Kontakt mit dem zu befeuchtenden Medium gebracht werden. Die Befeuchterfunktionsgruppe stellt somit das Kernstück der Befeuchtungseinrichtung dar. Um das wasserhaltige Medium in Kontakt mit dem zu befeuchtenden Medium zu bringen, ist ein weiterer Strömungspfad für das zu befeuchtende Medium ebenfalls durch die Befeuchterfunktionsgruppe geführt.
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Die vorgeschlagene Befeuchtungseinrichtung weist vorzugsweise einen modulartigen Aufbau auf und die Befeuchterfunktionsgruppe bildet ein eigenständiges Modulelement der Befeuchtungseinrichtung aus. Der modulartige Aufbau ermöglicht den Austausch einzelner Modulelemente, so dass die Befeuchtungseinrichtung an unterschiedliche Einbausituationen anpassbar ist. Die Modulelemente werden vormontiert und dann als Einheit in ein Brennstoffzellensystem eingebaut. Beim Einbau kann die Befeuchtungseinrichtung beispielsweise als Einheit in ein Gestell des Brennstoffzellensystems eingesetzt und an diesem befestigt werden.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wasserabscheider stromaufwärts der Befeuchterfunktionsgruppe in den Strömungspfad für das wasserhaltige Medium integriert. In diesem Bereich ist die Wasserlast des wasserhaltigen Mediums sehr hoch, so dass viel Wasser abgeschieden werden kann, wodurch sich die Effizienz des Wasserabscheiders erhöht.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist der Wasserabscheider stromabwärts der Befeuchterfunktionsgruppe in den Strömungspfad für das wasserhaltige Medium integriert. In diesem Fall ist die Wasserlast des wasserhaltigen Mediums deutlich geringer, da ein Teil des enthaltenen Wassers innerhalb der Befeuchterfunktionsgruppe bereits an das zu befeuchtende Medium abgegeben wurde. Auf diese Weise kann die Effizienz der Befeuchtungseinrichtung erhöht werden.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Strömungspfad für das wasserhaltige Medium durch ein weiteres Modulelement der Befeuchtungseinrichtung geführt ist. Die Befeuchterfunktionsgruppe bzw. das die Befeuchterfunktionsgruppe aufweisende Modulelement kann in diesem Fall besonders kompakt ausgebildet werden, da kein zusätzlicher Bauraum für den Wasserabscheider vorgehalten werden muss. Die Integration des Wasserabscheiders in ein weiteres Modulelement erhöht zudem die Freiheitsgrade bei der Anpassung der Befeuchtungseinrichtung an die jeweilige Einbausituation. Insbesondere können mit dem Wasserabscheider auch der Einlass und/oder der Auslass für das wasserhaltige Medium in das jeweilige Modulelement integriert werden. Bei dem weiteren Modulelement kann es sich insbesondere um eine Endkappe der Befeuchtungseinrichtung handeln, die zugleich den Einlass oder den Auslass für das zu befeuchtende Medium ausbildet.
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Vorteilhafterweise sind der Einlass und der Auslass für das zu befeuchtende Medium auf unterschiedlichen Seiten der Befeuchtungseinrichtung angeordnet. Beispielsweise können beidseits der zentralen Befeuchterfunktionsgruppe angeordnete Endkappen einerseits den Einlass und andererseits den Auslass ausbilden. Diese Anordnung ermöglicht eine einfache Führung des zu befeuchtenden Mediums durch die Befeuchtungseinrichtung.
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Der Einlass und der Auslass für das wasserhaltige Medium sind vorzugsweise auf der gleichen Seite der Befeuchtungseinrichtung angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht eine besonders kompakte Ausbildung der Befeuchtungseinrichtung. Der Strömungspfad für das wasserhaltige Medium kann zudem kurz gehalten werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Wasserabscheider ein Sedimentabscheider, ein Zyklonabscheider und/oder ein Prallplatten nutzender Wasserabscheider ist. Es können auch mehrere Abscheidetechniken kombiniert im Wasserabscheider zum Einsatz gelangen, um eine effektive Wasserabscheidung zu erreichen.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird darüber hinaus ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, das eine erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung umfasst. Über den Einlass und den Auslass für das zu befeuchtende Medium ist die Befeuchtungseinrichtung in einen Kathodenzuluftpfad des Brennstoffzellensystems eingebunden. Über den Einlass und den Auslass für das wasserhaltige Medium ist die Befeuchtungseinrichtung in einen Kathodenabluftpfad des Brennstoffzellensystems eingebunden. Durch den Einsatz einer erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung verringert sich die Teilzahl des Brennstoffzellensystems, da ein separater Wasserabscheider sowie die entsprechenden Schnittstellen wegfallen. Entsprechend sinkt auch der Bauraumbedarf des Brennstoffzellensystems. Dies wiederum geht mit einer erhöhten Leistungsdichte einher.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
- 2 eine vergrößerte Darstellung der Befeuchtungseinrichtung der 1,
- 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
- 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform,
- 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform,
- 6 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform und
- 7 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung gemäß einer sechsten bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der 1 ist beispielhaft ein Brennstoffzellensystem 2 mit einem Brennstoffzellenstapel 14 zu entnehmen, dem kathodenseitig über einen Kathodenzuluftpfad 12 Luft zugeführt wird. Die Luft dient als Sauerstofflieferant und wird im Brennstoffzellenstapel 14 zusammen mit Wasserstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt.
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Vor dem Eintritt in den Brennstoffzellenstapel 14 wird die Luft mit Hilfe eines im Kathodenzuluftpfad 12 angeordneten Luftverdichters 15 verdichtet. Da sich beim Verdichten die Luft sehr stark erwärmt, ist stromabwärts des Luftverdichters 15 eine Kühleinrichtung 20 in den Kathodenzuluftpfad 12 integriert. Weiter stromabwärts ist eine Befeuchtungseinrichtung 1 angeordnet, mittels welcher die Luft zusätzlich befeuchtet wird.
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Die mit Wasser angereicherte Kathodenabluft wird nach dem Austritt aus dem Brennstoffzellenstapel 14 über einen Kathodenabluftpfad 13 einer Abgasturbine zur Energierückgewinnung zugeführt. Die Abgasturbine weist hierzu ein im Kathodenabluftpfad 13 angeordnetes Turbinenrad 18 auf, das auf einer Welle 17 mit einem Verdichterrad 16 des Luftverdichters 15 angeordnet ist. Dies führt zu einer Entlastung eines elektromotorischen Antriebs 19 des Luftverdichters 15.
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Um durch Tropfenerosion bzw. Tropfenschlag verursachte Schäden am Turbinenrad 18 zu vermeiden, weist das dargestellte Brennstoffzellensystem 2 einen Wasserabscheider 7 auf. Mit Hilfe des Wasserabscheiders 7 soll der Kathodenabluft Wasser entzogen werden. Bei der dargestellten erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung 1 ist der Wasserabscheider 7 in einen Strömungspfad 8 integriert, der durch eine Befeuchterfunktionsgruppe 9 der Befeuchtungseinrichtung 1 geführt ist, innerhalb welcher die wasserhaltige Kathodenabluft in Kontakt mit der zu befeuchtenden verdichteten Luft gelangt.
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Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, weist die Befeuchtungseinrichtung 1 drei Modulelemente 10, 11 21 auf. Die Modulelemente 10 und 11 bilden Endkappen aus, von denen die rechte Endkappe einen Einlass 3 und die linke Endkappe einen Auslass 4 für die zu befeuchtende Luft ausbilden. Das zwischen den beiden Endkappen angeordnete dritte Modulelement 21 weist die Befeuchterfunktionsgruppe 9 sowie einen Einlass 5 und einen Auslass 6 für die wasserhaltige Kathodenabluft auf. Der Wasserabscheider 7 ist in das dritte Modulelement 21 integriert, und zwar stromabwärts der Befeuchterfunktionsgruppe 9. Das heißt, dass dem Wasserabscheider 7 wasserhaltige Kathodenabluft zugeführt wird, die bereits einen großen Teil ihrer Wasserlast an die verdichtete Luft abgegeben hat.
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Um die Effizienz des Wasserabscheiders 7 zu steigern, kann dieser - wie beispielhaft in der 3 dargestellt - auch stromaufwärts der Befeuchterfunktionsgruppe 9 in den Strömungspfad 8 integriert sein. Die Wasserlast der Kathodenabluft ist in diesem Bereich deutlich größer, da noch kein Austausch mit der verdichteten Luft stattgefunden hat.
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Wie beispielhaft in den 4 und 5 dargestellt, kann der Wasserabscheider 7 auch in ein Modulelement 10, 11 integriert werden, das eine Endkappe der Befeuchtungseinrichtung 1 ausbildet. Der Strömungspfad 8 ist hierzu durch das jeweilige Modulelement 10, 11 geführt. Diese Anordnung ermöglicht eine veränderte Lage des Einlasses 5 (siehe 4) oder des Auslasses 6 (siehe 5) für die Kathodenabluft, so dass die Befeuchtungseinrichtung 1 optimal an die jeweilige Einbausituation anpassbar ist. Dank des modulartigen Aufbaus der Befeuchtungseinrichtung 1 kann eine Anpassung einfach dadurch vorgenommen werden, dass das Modulelement 11 ausgetauscht wird. Die Modulelemente 10 und 21 bleiben die gleichen.
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Ein modulartiger Aufbau der Befeuchtungseinrichtung 1 ist jedoch nicht zwingend erforderlich wie die Ausführungsbeispiele der 6 und 7 zeigen. In der 6 ist der Wasserabscheider 7 in den Strömungspfad 8 stromabwärts der Befeuchterfunktionsgruppe 9 integriert. In der 7 ist der Wasserabscheider 7 stromaufwärts der Befeuchterfunktionsgruppe 9 angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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