DE19903353C2 - Brennstoffzellenanlage mit einer Vorrichtung zur Befeuchtung der Prozeßgase sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Anlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenanlage, enthaltend einen Brennstoffzellenstapel und eine Vorrichtung zur Befeuchtung der Prozeßgase für den Brennstoffzellen­ stapel. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennstoffzellenanlage mit einem Prozeßgas zur Umsetzung im Brennstoffzellenstapel. Als Brennstoffzellenanlage ist dabei insbesondere eine PEM- Brennstoffzellenanlage mit einem Brennstoffzellenstapel, der in der Fachwelt auch als "Brennstoffzellenstack" bezeichnet wird.

Zur effizienten Umsetzung des Prozeßgases bei PEM-Brennstoff­ zellen ist es notwendig, daß das Prozeßgas, wie z. B. Luft, komprimiert und, zur Erhaltung der Feuchtigkeit der Fest­ stoffelektrolyt-Membran, befeuchtet wird. Bekannt ist eine Brennstoffzellenanlage, bei der das Prozeßgas mit einem Verdichter komprimiert und z. B. über Wassereinspritzung befeuchtet wird. Nachteilig dabei ist, daß das Prozeßgas durch einfache Wassereinspritzung nur unvollständig befeuch­ tet wird oder bei Befeuchtung über einen Membranbefeuchter nicht komprimiert in die Zelle eingeleitet wird. Andererseits gelangt das Prozeßgas bei einer Anlage, wo der Befeuchter dem Verdichter nachgeschaltet ist, mit einer durch die Verdich­ tung zu stark erhöhten Temperatur in den Zellenstapel, was zu Problemen bei der Kühlung führt.

Eine Brennstoffzellenanlage und ein Verfahren zum Betreiben dieser Brennstoffzellenanlage werden im einzelnen aus der WO 97/10619 A1 beschrieben, wobei dort das Prozeßgas für den Brennstoffzellenstapel mit einem Flüssigkeitsringverdichter in den Brennstoffzellenstapel eingespeist wird. Ziel ist es ebenfalls, das Prozeßgas beim Verdichten zugleich in ge­ eigneter Weise zu befeuchten. Dabei wird ausgegangen von einem Sekundärstand der Technik, beispielsweise der DE 43 18 818 C1, bei dem Vorrichtungen mit Membranbefeuchtung oder mit Wassereinspritzung nach der Verdichtung verwendet werden. Insbesondere der Membranbefeuchter wird wegen seiner Baugröße als ungeeignet angesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Befeuchtung und Verdichtung der Prozeßgase einer Brennstoffzellenanlage zur Verfügung zu stellen, bei dem befeuchtetes und komprimiertes Prozeßgas unter nur minimaler Temperaturerhöhung in den Brennstoffzellenstapel geleitet wird.

Die Aufgabe ist bezüglich der Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung zur Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels aus einer Kaskadenschaltung einer­ seits eines Verdichters mit Seitenkanalprinzip und integrier­ tem Befeuchter und andererseits eines Membranbefeuchters be­ steht. Beim zugehörigen Verfahren wird das Prozeßgas zunächst durch einen Verdichter mit Seitenkanalprinzip und integrier­ tem Befeuchter und dann durch einen Membranbefeuchter ge­ leitet.

Vorteilhafterweise ist der Membranbefeuchter dem Verdichter nachgeschaltet, bevorzugt unmittelbar nachgeschaltet, so daß keine Druckverluste durch Leitungen zwischen dem Verdichter und dem Membranbefeuchter auftreten. Vorteilhaft ist weiter­ hin, wenn sich der Membranbefeuchter unmittelbar vor dem Brennstoffzellenstapel befindet, daß keine Druckverluste zwischen dem Membranbefeuchter und dem Brennstoffzellenstapel auftreten.

In Weiterbildung der Erfindung enthält der Flüssigkeitsbehäl­ ter im Verdichter und/oder der Membranbefeuchter Wasser, das zum Teil aus dem in der Abluft der Brennstoffzelle enthalte­ nen Wasserdampf gewonnen wird. Weiterhin wird vorteilhafterweise nur der Oxidans-Prozeßgasstrom durch die Vorrichtung zur Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels geleitet. Vor­ zugsweise wird als Oxidans Luft eingesetzt.

Bei der Erfindung arbeitet der Verdichter nach dem Seiten­ kanalprinzip mit Drehzahlregelung des Antriebsmotors. Im oberen Bereich seines Betriebskennfeldes bewirkt der Verdich­ ter 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. Brennstoffzellenanlage, enthaltend einen Brennstoffzellen­ stapel (1) und eine Vorrichtung zur Befeuchtung der Prozeß­ gase für den Brennstoffzellenstapel (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Be­ feuchtung des Brennstoffzellenstapels (1) aus der Kaskaden­ schaltung einerseits eines Verdichters (3) mit Seitenkanal­ prinzip und integriertem Befeuchter und andererseits eines Membranbefeuchters besteht.

2. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Membranbefeuchter (2) dem Verdichter (3) nachgeschaltet ist.

3. Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Membranbefeuchter (2) unmittelbar dem Brennstoffzellenstapel (1) vorgeschaltet ist.

4. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage, enthaltend einen Brennstoffzellenstapel sowie eine Befeuch­ tungsvorrichtung für Prozeßgase nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas zunächst durch einen Verdichter mit Seiten­ kanalprinzip und integriertem Befeuchter und dann durch einen kaskadenartig dahinter angeordneten Membranbefeuchter gelei­ tet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Prozeßgase mit Wasser befeuchtet werden, wobei dieses Wasser zumindest zum Teil aus dem in der Abluft der Brennstoffzelle enthaltenen Wasserdampf gewonnen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, daß nur der Oxidans-Prozeßgasstrom durch die Vorrichtung zur Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels geleitet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß als Oxidans Luft eingesetzt wird.