DE19903353A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Befeuchtung und Verdichtung der Prozeßgase einer Brennstoffzellenanlage - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Befeuchtung und Verdichtung der Prozeßgase einer Brennstoffzellenanlage

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Befeuchtung und Verdichtung der Prozeßgase einer Brennstoffzellenanlage, insbesondere einer PEM-Brennstoffzellenanlage. Die Vorrichtung enthält einen Verdichter mit integriertem Befeuchter, der nach dem Seitenkanalprinzip arbeitet, und einen nachgeschalteten Membranbefeuchter.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Befeuchtung und Verdichtung der Prozeßgase einer Brennstoffzellenanlage, ins­ besondere einer PEM-Brennstoffzellenanlage.
Zur effizienten Umsetzung des Prozeßgases bei PEM- Brennstoffzellen ist es notwendig, daß das Prozeßgas, wie z. B. Luft, komprimiert und, zur Erhaltung der Feuchtigkeit der Feststoffelektrolyt-Membran, befeuchtet wird. Bekannt ist eine Brennstoffzellenanlage, bei der das Prozeßgas mit einem Verdichter komprimiert und z. B. über Wassereinspritzung be­ feuchtet wird. Nachteilig dabei ist, daß das Prozeßgas durch einfache Wassereinspritzung nur unvollständig befeuchtet wird oder bei Befeuchtung über einen Membranbefeuchter nicht kom­ primiert in die Zelle eingeleitet wird. Andererseits gelangt das Prozeßgas bei einer Anlage, wo der Befeuchter dem Ver­ dichter nachgeschaltet ist, mit einer durch die Verdichtung zu stark erhöhten Temperatur in den Zellenstack, was zu Pro­ blemen bei der Kühlung führt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Befeuchtung und Verdichtung der Prozeßgase ei­ ner Brennstoffzellenanlage zur Verfügung zu stellen, bei dem befeuchtetes und komprimiertes Prozeßgas unter nur minimaler Temperaturerhöhung in den Brennstoffzellenstack geleitet wird.
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Befeuchtung und Verdichtung der Prozeßgase eines Brennstoffzellenstacks, die einen Verdichter mit Seitenkanalprinzip und integriertem Befeuchter und einen Membranbefeuchter umfaßt.
Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Be­ treiben einer Brennstoffzellenanlage, bei dem das Prozeßgas vor der Umsetzung im Brennstoffzellenstack zunächst durch ei­ nen Verdichter mit Seitenkanalprinzip und integriertem Be­ feuchter und dann durch einen Membranbefeuchter geleitet wird.
Vorteilhafterweise ist der Membranbefeuchter dem Verdichter nachgeschaltet, bevorzugt unmittelbar nachgeschaltet, so daß keine Druckverluste durch Leitungen zwischen dem Verdichter und dem Membranbefeuchter auftreten.
Es ist auch vorteilhaft, wenn sich der Membranbefeuchter un­ mittelbar vor dem Brennstoffzellenstack befindet, so daß kei­ ne Druckverluste zwischen dem Membranbefeuchter und dem Brennstoffzellenstack auftreten.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der Flüssigkeitsbehälter im Verdichter und/oder der Membran­ befeuchter Wasser, das zum Teil aus dem in der Abluft der Brennstoffzelle enthaltenen Wasserdampf gewonnen wird.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird nur der Oxidans- Prozeßgasstrom durch die Vorrichtung geleitet.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird als Oxidans Luft eingesetzt.
Der Verdichter arbeitet nach dem Seitenkanalprinzip mit Dreh­ zahlregelung des Antriebsmotors.
Im oberen Bereich seines Betriebskennfeldes bewirkt der Ver­ dichter eine Druckerhöhung des Prozeßgases bei gleichzeitiger Befeuchtung. Das im unteren Bereich geförderte Prozeßgas, das im Verdichter nicht befeuchtet wird, wird durch den anschlie­ ßenden Membranbefeuchter befeuchtet.
Im folgenden wird die Erfindung noch anhand einer Figur, die eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens schematisch wie­ dergibt, erläutert.
In der Figur ist dem Brennstoffzellenstack 1 der Membranbe­ feuchter 2 vorgeschaltet. Bei dieser Ausgestaltung des Ver­ fahrens wird nur das Oxidans, bevorzugt Luft, durch die er­ findungsgemäße Vorrichtung befeuchtet und verdichtet. Von links ist die Luftzufuhrleitung 5 die zunächst durch einen Filter 6 führt, in dem die angesaugte Luft gereinigt wird, zu sehen. Die saubere Luft kommt dann in den Verdichter 3, des­ sen Motordrehzahl durch die Steuereinheit 4 regelbar ist. Der Verdichter 3 hat ein Flüssigkeitsreservoir 7, das über die Leitung 8 gespeist wird. Mit Hilfe des Flüssigkeitsreservoirs 7 befeuchtet der Verdichter 3 im oberen Durchsatzbereich sei­ nes Betriebskennfeldes die geförderte Luft. Von der Leitung 8 wird auch der Membranbefeuchter 2 gespeist, der die noch un­ befeuchtete Luft aus dem unteren Durchsatzbereich des Ver­ dichters 3 nachträglich befeuchtet. Die Leitung 8 zweigt von der Leitung 9 ab und enthält das aus der Abluft des Brenn­ stoffzellenstacks 1 auskondensierte Wasser. Das Wasser wird mit der Pumpe 10 entlang der Leitung 8 gefördert.
Die Vorrichtung nach der Erfindung vereint die Vorteile eines Membranbefeuchters und eines Verdichters, der eine Teilbe­ feuchtung des von ihm verdichteten Prozeßgases bewirkt. Durch die kaskadenartige Anordnung der beiden Geräte, Verdichter und Membranbefeuchter, hintereinander, wird eine optimale Be­ feuchtung bei gleichzeitig minimaler Temperaturerhöhung des komprimierten Prozeßgases erreicht.
Die Erfindung ist sowohl für die mobile Anwendung als auch für die stationäre Anwendung von PEM-Brennstoffzellenanlagen von Vorteil. Insbesondere wurde bei der Konzeption an die mo­ bile Anwendung der luftbetriebenen PEM-Brennstoffzelle ge­ dacht.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Befeuchtung und Verdichtung der Prozeßgase eines Brennstoffzellenstacks, die einen Verdichter mit Sei­ tenkanalprinzip und integriertem Befeuchter und einen Mem­ branbefeuchter umfaßt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Membranbefeuchter dem Verdichter nachgeschaltet ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der Membranbefeuchter unmittelbar dem Brennstoffzellenstack vor­ geschaltet ist.
4. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage, bei dem das Prozeßgas vor der Umsetzung im Brennstoffzellenstack zunächst durch einen Verdichter mit Seitenkanalprinzip und integriertem Befeuchter und dann durch einen Membranbefeuch­ ter geleitet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Prozeßgase mit Was­ ser befeuchtet werden, wobei dieses Wasser zumindest zum Teil aus dem in der Abluft der Brennstoffzelle enthaltenen Wasser­ dampf gewonnen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei der der Oxidans-Prozeßgasstrom durch die Vorrichtung geleitet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem als Oxidans Luft eingesetzt wird.
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