DE10330500A1 - Polymer electrolyte membrane fuel cell system for portable use in a motor vehicle has a wetting/cooling device with a liquid like water and separating/return devices for water in exhaust gas - Google Patents

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Abstract

Heat exchanger (20) is integrated in an exhaust silencer (ES) on an exhaust section to cool exhaust gases (14) and to condense portions of water contained in it. There is an additional heat exchanger area on a gas inlet on an ES area (18). Cooling water for a fuel cell system (2) is used as a coolant (22) and circulates in the heat exchanger. An independent claim is also included for: a method for operating a polymer electrolyte membrane fuel cell system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellensystem mit einer Befeuchtung und/oder Kühlung mit flüssigem Medium, insbesondere Wasser, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Brennstoffzellensystems gemäß Oberbegriff des Anspruchs 7.The The invention relates to a polymer electrolyte membrane fuel cell system with a humidification and / or cooling with liquid Medium, especially water, according to the preamble of claim 1 and a method for operating a corresponding Fuel cell system according to the preamble of claim 7.

Es sind verschiedene Arten von Brennstoffzellensystemen bekannt, in denen aus hierfür geeigneten Flüssigkeiten auf elektrochemischem Wege Wasserstoff gewonnen wird. Für den mobilen Einsatz im Kraftfahrzeug eignen sich insbesondere Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)-Brennstoffzellensysteme, da diese im Vergleich zu anderen Systemen eine sehr hohe Leistungsdichte aufweisen und daher relativ kompakt ausgeführt sein können. Diese sog. PEM-Brennstoffzellensysteme benötigen zum Betrieb Wasser, das zur Befeuchtung der Kathodenluft eingesetzt wird. Zusätzlich wird Wasser zur Befeuchtung des Wasserstoffes bzw. zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gases (Reformat) durch die Reformierung von Kohlenwasserstoffen (bspw. Benzin) benötigt.It Various types of fuel cell systems are known, in those from this suitable liquids Hydrogen is obtained by electrochemical means. For the mobile Use in motor vehicles are particularly suitable for polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell systems, because they have a very high power density compared to other systems have and therefore can be made relatively compact. These so-called PEM fuel cell systems need to operate water used to humidify the cathode air becomes. additionally is water for humidification of the hydrogen or for production a hydrogen-rich gas (reformate) through the reforming of hydrocarbons (eg gasoline) needed.

Brennstoffzellensysteme mit anodenseitiger flüssiger Befeuchtung sind bspw. aus der EP 0 743 693 A1 oder aus der DE 196 41 143 A1 bekannt. In der DE 198 21 766 C1 ist ein Brennstoffzellensystem mit Befeuchtung beschrieben, das insbesondere zur Anwendung in mobilen Systemen vorgesehen ist. Hierbei sind axiale Prozessgasversorgungsleitungen vorgesehen, die jeweils einen Flüssigkeitsverteiler aufweisen. Der Flüssigkeitsverteiler erzeugt mit Hilfe von Schallwellen Tröpfchen unmittelbar vor dem Gaseinlass jeder Brennstoffzelleneinheit eines Brennstoffzellenstapels und setzt diese Flüssigkeit dem Prozessgasstrom zu.Fuel cell systems with anodenseitiger liquid moistening are, for example, from the EP 0 743 693 A1 or from the DE 196 41 143 A1 known. In the DE 198 21 766 C1 is a fuel cell system with humidification described, which is intended in particular for use in mobile systems. In this case, axial process gas supply lines are provided, each having a liquid distributor. The liquid distributor generates, with the aid of sound waves, droplets immediately in front of the gas inlet of each fuel cell unit of a fuel cell stack and supplies this liquid to the process gas stream.

Das bei den bekannten Systemen eingesetzte Wasser verlässt die Brennstoffzelle in Form von Wasserdampf und wird normalerweise durch einen Gasauslass (Auspuff) an eine Umgebung abgegeben. Für den mobilen Einsatz muss daher zusätzliches Wasser als Betriebsstoff mitgeführt werden, wodurch das Fahrzeuggewicht erhöht und seine potentielle Reichweite eingeschränkt wird.The in the known systems used water leaves the Fuel cell in the form of water vapor and is usually through a gas outlet (exhaust) delivered to an environment. For the mobile Use must therefore additional Water carried as fuel which increases the vehicle weight and its potential range limited becomes.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Brennstoffzellensystem mit einer Befeuchtung mit Wasser oder anderem flüssigem Medium derart weiterzuentwickeln, dass dem System während des Betriebes kein flüssiges Medium außer Kondensat zusätzlich von außen zugeführt werden muss.Of the The present invention is based on the object, a fuel cell system with moistening with water or other liquid medium in such a way, that during the system the operation no liquid Medium except condensate additionally from the outside supplied must become.

Diese Aufgabe wird bei einem Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch einen in einem Schalldämpferbereich eines Abgasstrangs integrierten Wärmetauscher zur Kühlung der Abgase und zur Kondensierung von darin enthaltenen Wasseranteilen erreicht. Für den mobilen Einsatz ist eine solche Wasserrückgewinnung besonders vorteilhaft, da auf diese Weise ein geschlossener Wasserkreislauf realisiert werden kann. Der Kundennutzen ist durch den Verzicht auf zusätzliches Tanken von Wasser deutlich erhöht. Das Wasser das im Wärmetauscher abgeschieden wird, wird in das PEM-Brennstoffzellensystem zurückgeführt und kann dort wieder zur Befeuchtung und/oder Kühlung der Brennstoffzellen verwendet werden.These Task is in a polymer electrolyte membrane fuel cell system according to the generic term of claim 1 by a in a silencer area an exhaust line integrated heat exchanger for cooling the Exhaust gases and for condensation of water contained therein reached. For mobile use, such water recovery is particularly advantageous because be realized in this way a closed water cycle can. The customer benefit is by waiving additional Refueling of water increased significantly. The water in the heat exchanger is returned, is returned to the PEM fuel cell system and can there again for humidification and / or cooling of the fuel cell be used.

Ein bereits vorhandenes Schalldämpferbauteil ist vorteilhafterweise am Gaseintritt um eine Wärmetauscherzone erweitert. In dieser Wärmetauscherzone wird das Gas weiter abgekühlt und dabei kondensiert Feuchtigkeit. Diese Wärmetauscherzone kann bspw. in Kreuzstrombauweise aus gestapelten Rippenrohrkühlern ausgeführt sein. Als Kühlmedium kann in vorteilhafter Weise Kühlwasser verwendet werden. Strömt das feuchte Abgas in bekannter Weise von oben nach unten durch den Wärmetauscher, wird das Kondensat durch die Schwerkraft und zusätzlich durch die Gasströmung abgeschieden. Diese Wärmetauscherzone kann u.U. selbst schalldämpfend wirken. Aus dem feuchten Abgas wird an den Schalldämpfereinbauten zusätzliches Wasser abgeschieden. Im Schalldämpfer können perforierte Innenböden und Reflexionsrohre vorgesehen sein. Durch die Einbaulage des Bauteils und andere geeignete konstruktive Maßnahmen, z.B. Abscheideinbauten und Lochbleche sammelt sich das Kondensat an bestimmten Stellen des Schalldämpfers und wird dort über eine Entnahmevorrichtung in den Wasservorratsbehälter des Brennstoffzellensystems zurück geführt. Die Montage des Bauteils an durch Fahrtwind gut angeströmter Stelle kann von Vorteil sein. Zusätzlich kann eine Zwangsbelüftung in Form eines Ventilators oder dgl. vorgesehen sein.One already existing silencer component is advantageously expanded at the gas inlet to a heat exchanger zone. In this heat exchanger zone the gas is cooled further and moisture condenses. This heat exchanger zone can, for example. be designed in cross-flow construction of stacked finned tube coolers. As a cooling medium can advantageously cooling water be used. flows the moist exhaust gas in a known manner from top to bottom through the Heat exchanger, is the condensate is separated by gravity and additionally by the gas flow. This heat exchanger zone can u.U. even sound-absorbing Act. From the humid exhaust gas is at the muffler installations additional Water separated. In the muffler can perforated interior floors and reflection tubes may be provided. Due to the installation position of the component and other suitable constructive measures, e.g. Abscheideinbauten and perforated plates, the condensate collects in certain places of the muffler and gets over there a removal device in the water reservoir of the fuel cell system back guided. The assembly of the component to well flowed through by wind can be an advantage. additionally can be forced ventilation be provided in the form of a fan or the like.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreib einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle, die eine Befeuchtung oder Kühlung mit flüssigem Medium aufweist und die eine Abscheidevorrichtung zur Abscheidung und Rückführung von im Abgas enthal tenem Wasser umfasst, sieht eine Kondensierung von im Abgas enthaltenen Wasseranteilen in einem im Schalldämpferbereich eines Abgasstrangs integrierten Wärmetauscher vor. Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren kann im Abgas enthaltenes Wasser abgeschieden werden und einem Wasservorratsbehälter zur Kühlung und Befeuchtung des Brennstoffzellensystems wieder zugeführt werden. Auf diese Weise ist insbesondere für den mobilen Einsatz eine deutliche Reichweitenerhöhung bzw. ein Verzicht auf das Zuführen von zusätzlichem Wasser ermöglicht.An inventive method for operating a polymer electrolyte membrane fuel cell having a humidification or cooling with liquid medium and comprising a separation device for the separation and recycling of contained in the exhaust gas tenem water, sees a condensation of water contained in the exhaust gas in a in the Silencer range of an exhaust line integrated heat exchanger before. With this method according to the invention, water contained in the exhaust gas can be separated and fed back to a water reservoir for cooling and humidification of the fuel cell system the. In this way, a clear range increase or a waiver of the supply of additional water is possible in particular for mobile use.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt in einem schematischen Blockschaltbild ein Brennstoffzellensystem, das in einem Schalldämpferbereich einen zusätzlichen Wärmetauscherbereich zur Kondensierung von im Abgas enthaltenem Wasser aufweist.The Invention will now be described with reference to an embodiment with reference closer to the enclosed drawing explained. The single figure shows a schematic block diagram Fuel cell system, which in an exhaust silencer area an additional heat exchanger area for condensing water contained in the exhaust gas.

Einem Brennstoffzellensystem 2 wird Kraftstoff 4 und Wasser 6 zugeführt. Weiterhin wird dem Brennstoffzellensystem 2 über einen Verdichter 10 Luft 8 zugeführt. Der Verdichter 10 wird von einem Antrieb 12 betrieben und ist mit einer Expansionsstufe 16 gekoppelt, mittels der die im Abgas 14 enthaltene Strömungs-/Kompressionsenergie genutzt werden kann. In diesem Fall wird der Antrieb 12 zum Betrieb des Verdichters 10 von der Expansionsstufe 16 unterstützt. Der Antrieb 12 kann bspw. ein Elektromotor sein. Das Abgas 14 wird einem Schalldämpfer zugeführt, der vor einem Schalldämpferbereich 18 einen zusätzlichen Wärmetauscherbereich 20 aufweist. Vorzugsweise wird der Wärmetauscherbereich 20 von Kühlmedium 22 durchströmt und bildet eine erste Abscheidungsstufe für im Abgas 14 enthaltenes Wasser. Nach dem Durchtritt durch den Wärmetauscherbereich strömt das Abgas in den Schalldämpferbereich 18, wo weiteres Wasser 24 abgeschieden wird. Schließlich wird das Abgas zu einem Auslass 26 geleitet und verlässt das System als nahezu trockenes Abgas 28.A fuel cell system 2 becomes fuel 4 and water 6 fed. Furthermore, the fuel cell system 2 over a compressor 10 air 8th fed. The compressor 10 is powered by a drive 12 operated and is with an expansion stage 16 coupled, by means of the exhaust gas 14 contained flow / compression energy can be used. In this case, the drive becomes 12 for operation of the compressor 10 from the expansion stage 16 supported. The drive 12 can be, for example, an electric motor. The exhaust 14 is fed to a silencer, in front of a silencer area 18 an additional heat exchanger area 20 having. Preferably, the heat exchanger area 20 of cooling medium 22 flows through and forms a first deposition stage for in the exhaust 14 contained water. After passing through the heat exchanger area, the exhaust gas flows into the muffler area 18 where more water 24 is deposited. Finally, the exhaust gas becomes an outlet 26 directed and leaves the system as a nearly dry exhaust gas 28 ,

Das Brennstoffzellensystem 2 ist vorzugsweise ein sogenanntes Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellensystem (PEM-BZ), das sich insbesondere für den mobilen Einsatz in Kraftfahrzeugen eignet. Durch die Rückführung des im Wärmetauscherbereich 20 und im Schalldämpferbereich 18 abgeschiedenen Wassers 24 zu dem dem Brennstoffzellensystem 2 zuzuführenden Wasser 6 ist ein geschlossener Kreislauf ermöglicht. Auf das Zuführen von zusätzlichem Wasser, was insbesondere beim mobilen Einsatz von Nachteil wäre, kann verzichtet werden.The fuel cell system 2 is preferably a so-called polymer electrolyte membrane fuel cell system (PEM-BZ), which is particularly suitable for mobile use in motor vehicles. By the return of the in the heat exchanger area 20 and in the silencer area 18 separated water 24 to the fuel cell system 2 water to be supplied 6 is a closed circuit allows. On the supply of additional water, which would be particularly disadvantageous in mobile use, can be dispensed with.

Innerhalb des Wärmetauscherbereichs 20 wird dem Abgas eine relativ große Wärmemenge entzogen, so dass annähernd das gesamte darin enthaltene Wasser auskondensiert und abgeschieden werden kann. Bei ausreichend langen Abgaswegen im Wärmetauscherbereich 20 wirkt dieser ebenfalls stark schalldämpfend.Within the heat exchanger area 20 A relatively large amount of heat is removed from the exhaust gas, so that almost all of the water contained therein can be condensed out and separated. For sufficiently long exhaust paths in the heat exchanger area 20 This also has a strong sound-absorbing effect.

Die Wärmetauscherzone 20 kann bspw. in bekannter Kreuzstrombauweise aus gestapelten Rippenrohrkühlern aufgebaut sein. Aus dem wasserhaltigen Abgas 14 wird an den Schalldämpfereinbauten, bspw. an perforierten Innenböden 30 und an Reflexionsrohren 32 zusätzliches Wasser 24 abgeschieden. Durch die Einbaulage sowie die Abscheidevorrichtungen des Schalldämpfers sammelt sich das Kondensat und wird dort über eine geeignete Entnahmevorrichtung in einen Wasservorratsbehälter 36 geleitet. Das dort gesammelte Wasser wird mittels einer Förderpumpe 34 entnommen und als Frischwasser 6 dem Brennstoffzellensystem 2 zugeführt.The heat exchanger zone 20 can be constructed, for example, in a known cross-flow construction of stacked finned tube coolers. From the water-containing exhaust gas 14 is used on the silencer installations, eg on perforated interior floors 30 and on reflection tubes 32 additional water 24 deposited. Through the installation position and the separation devices of the muffler, the condensate collects and is there via a suitable extraction device in a water reservoir 36 directed. The water collected there is by means of a feed pump 34 taken and as fresh water 6 the fuel cell system 2 fed.

Als Kühlmedium 22 eignet sich insbesondere Kühlwasser, das ggf. auch im Brennstoffzellensystem 2 zirkulieren kann. Ein weiterer Vorteil besteht in einer Möglichkeit der im Abgas enthaltenen Wärmeenergie, die mittels des Wärmetauschers zur Temperierung des Brennstoffzellensystems genutzt werden kann.As a cooling medium 22 is particularly suitable cooling water, which may also be in the fuel cell system 2 can circulate. Another advantage consists in a possibility of the heat energy contained in the exhaust gas, which can be used by means of the heat exchanger for temperature control of the fuel cell system.

Claims (9)

Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellensystem, insbesondere für den mobilen Einsatz, das eine Befeuchtung und/oder Kühlung mit flüssigem Medium, insbesondere Wasser sowie eine Abscheidevorrichtung zur Abscheidung und Rückführung von im Abgas enthaltenem Wasser aufweist, gekennzeichnet durch einen in einem Schalldämpfer eines Abgasstranges integrierten Wärmetauscher (20) zur Kühlung der Abgase (14) und zur Kondensierung von darin enthaltenen Wasseranteilen.Polymer electrolyte membrane fuel cell system, in particular for mobile use, which has a humidification and / or cooling with liquid medium, in particular water and a separation device for the separation and recirculation of water contained in the exhaust gas, characterized by an integrated in a muffler of a Abgasstranges Heat exchanger ( 20 ) for cooling the exhaust gases ( 14 ) and the condensation of water contained therein. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Wärmetauscherbereich (20) an einem Gaseintritt des Schalldämpferbereichs (18).Fuel cell system according to claim 1, characterized by an additional heat exchanger area ( 20 ) at a gas inlet of the silencer area ( 18 ). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmetauscher Kühlmedium (22) zirkuliert.Fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized in that in the heat exchanger cooling medium ( 22 ) circulates. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet dass als Kühlmedium (22) Kühlwasser des Brennstoffzellensystems (2) eingesetzt wird.Fuel cell system according to claim 3, characterized in that as a cooling medium ( 22 ) Cooling water of the fuel cell system ( 2 ) is used. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscherbereich (20) als Schalldämpfer ausgebildet ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger area ( 20 ) is designed as a muffler. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (22) fahrtwindgekühlt ist und/oder eine zusätzliche Zwangsbelüftung aufweist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling medium ( 22 ) is air-cooled and / or has an additional forced ventilation. Verfahren zum Betrieb eines PEM-Brennstoffzellensystems, das eine Befeuchtung und/oder Kühlung mit flüssigem Medium, insbesondere Wasser, sowie eine Abscheidevorrichtung zur Abscheidung und Rückführung von im Abgas enthaltenem Wasser aufweist, gekennzeichnet durch eine Abscheidung von im Abgas (14) enthaltenen Wasseranteilen in einem Schalldämpfer eines Abgasstranges.Method of operating a PEM fuel Cell system having a humidification and / or cooling with liquid medium, in particular water, and a separation device for the separation and recycling of water contained in the exhaust gas, characterized by a deposition of in the exhaust gas ( 14 ) contained in a silencer of a Abgasstranges. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmetauscher und im Schalldämpfer abgeschiedenes Wasser (24) dem Brennstoffzellensystem (2) wieder zugeführt wird.Method according to claim 7, characterized in that water separated in the heat exchanger and in the silencer ( 24 ) the fuel cell system ( 2 ) is returned. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine Wasserabscheidung in einem dem Schalldämpferbereich (18) des Abgasstrangs vorgeschalteten oder darin integrierten Wärmetauscherbereich (20).Method according to claim 7 or 8, characterized by a water separation in a silencer area ( 18 ) of the exhaust gas upstream or integrated therein heat exchanger area ( 20 ).
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