EP1384278A2 - System aus brennstoffzelle und wärmetauscher - Google Patents

System aus brennstoffzelle und wärmetauscher

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EP1384278A2
EP1384278A2 EP02740443A EP02740443A EP1384278A2 EP 1384278 A2 EP1384278 A2 EP 1384278A2 EP 02740443 A EP02740443 A EP 02740443A EP 02740443 A EP02740443 A EP 02740443A EP 1384278 A2 EP1384278 A2 EP 1384278A2
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
fuel cell
air
preheated
gaseous reactant
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02740443A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Edlinger
Franz-Josef Wetzel
Joachim Tachtler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a system comprising a fuel cell and a heat exchanger according to the preamble of claim 1.
  • the reactants to be introduced into the fuel cell - for example the reaction air - have to be preheated in order to bring them to their reaction temperature.
  • This preheating is conventionally carried out in a separate heat exchanger in which, depending on the exemplary embodiment, a burner can also be integrated.
  • a separate component and the flow connections between the heat exchanger and the fuel cell can achieve a level of complexity comparable to that of the fuel cell, consumes installation space and causes additional weight.
  • the object of the present invention is to improve a system of fuel cell and heat exchanger mentioned at the outset in such a way that the overall system can be simplified, which also makes it possible to reduce costs. In particular, a reduction in the installation space and the weight as well as a functional improvement are to be brought about.
  • an idea essential to the invention is to combine the heat exchanger and the fuel cell with one another in such a way that the heat exchanger is arranged directly on the fuel cell and is integrated with it. This enables an immediate flow transition from the heat exchanger to the fuel cell to be achieved. The air supply over the entire stack surface can be guaranteed directly.
  • This coupling not only saves installation space but also weight, since additional housings, line systems and other design devices, such as. B. a so-called manifold can be dispensed with.
  • the heat exchanger can be designed as a simple plate heat exchanger.
  • the flow of the air supply can be improved compared to a solution with a manifold.
  • Fig. 1 shows a schematic structure of a system according to the invention
  • Fig. 2 shows a schematic structure of a conventional system of fuel cell and heat exchanger.
  • a structure as shown in Fig. 2 is known from the prior art.
  • a fuel cell 10 which has a stack with a plurality of individual cells 12 arranged parallel to one another, is supplied with gaseous reactants, in the present case with a fuel gas, indicated by arrow 24, and air, indicated by arrow 22.
  • the air must be brought to its reaction temperature, ie preheated, especially in the case of a high-temperature fuel cell (eg SOFC fuel cell).
  • a heat exchanger 14 is connected upstream, to which air (see arrow 20) is provided via a fan 18 (only shown schematically) and is heated to its operating temperature when the heat exchanger 14 flows through.
  • the heat exchanger 14 receives the heat necessary for heating the air from the exhaust gases of the fuel cell 10, which is indicated by arrow 24, is also conducted downstream of the individual cells 12 through the heat exchanger 14 and is then released to the ambient air (reference numeral 28). In addition, the remaining fuel gas (reference numeral 26) is also supplied to the heat exchanger.
  • the heat exchanger 14 is at the same time designed as a burner, so that the reactants (air, fuel gas) which are not consumed can be re-burned in the heat exchanger / burner 14. This additional energy also serves to heat the air to be preheated.
  • the present invention aims to integrate the fuel cell and the heat exchanger. This is shown in Fig. 1.
  • the fuel cell 110 in turn has a multiplicity of individual cells 112 arranged parallel to one another, through which the fuel gas (reference number 124) and air (reference number 120) flow on the one hand, with a current flow in the fuel cell 110 in a known manner through a reaction of these two reactants is generated.
  • a heat exchanger 114 is now arranged directly in front of the stack with the individual cells 112 in such a way that the air 120 sucked in via an intake duct 116 by means of a blower 118 is guided uniformly through the heat exchanger 114 and introduced into the fuel cell 110 via the stack. This means that there is no need for an additional line between the heat exchanger 114 and the fuel cell 110 one of the manifolds upstream of the fuel cell 110.
  • the residual air 124 discharged from the fuel cell 110 via a funnel 113 is returned to the heat exchanger 114 as far as possible without detours.
  • the combustion gases 126 which have not yet been burned are likewise returned to the heat exchanger.
  • the heat exchanger 114 has an integrated burner with which the reactants from air and fuel gas which have not yet been consumed are afterburned. The exhaust gases from the heat exchanger / burner 114 are released to the environment (arrow 128).
  • the present invention it is possible to reduce the space and weight compared to the conventional configuration. It is also possible to improve the air supply to the stacks of individual cells compared to a solution with a manifold. In addition, this function can be improved by a higher power density of the overall system.

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Abstract

Ein System umfassend eine Brennstoffzelle (110) und einen Wärmetauscher (114), wobei der Wärmetauscher derart mit der Brennstoffzelle strömungsmässig gekoppelt ist, dass ein gasförmiger Reaktand (120) für die Brennstoffzelle im strömungsmässig diesbezüglich vorgeschalteten Wärmetauscher vorgewärmt wird und zumindest ein Teil des Abgases (124, 126) aus der Brennstoffzelle durch den diesbezüglich nachgeschalteten Wärmetauscher geführt wird. Zur Vereinfachung des Gesamtsystems, Reduzierung von Bauraum und Gewicht und zur Funktionverbesserung wird vorgeschlagen, dass der Wärmetauscher unmittelbar an der Brennstoffzelle angeordnet und mit dieser integriert ist, so dass ein unmittelbarer Strömungsübergang vom Wärmetauscher zur Brennstoffzelle besteht.

Description

System aus Brennstoffzelle und Wärmetauscher
Die Erfindung betrifft ein System umfassend eine Brennstoffzelle und einen Wärme- tauscher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Insbesondere bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen müssen die in die Brennstoffzelle einzubringenden Reaktanden - beispielsweise die Reaktionsluft - vorerwärmt werden um sie auf ihre Reaktionstemperatur zu bringen. Diese Vorwärmung erfolgt herkömmlicherweise in einem separaten Wärmetauscher, in dem je nach Ausführungsbeispiel auch ein Brenner integriert sein kann. Ein solch separates Bauteil sowie die Strömungsverbindungen zwischen dem Wärmetauscher und der Brennstoffzelle kann eine der Brennstoffzelle vergleichbare Komplexität erreichen, verbraucht Bauraum und verursacht zusätzliches Gewicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein eingangs genanntes System aus Brennstoffzelle und Wärmetauscher derart zu verbessern, dass das Gesamtsystem vereinfacht werden kann, wodurch auch eine Kostensenkung möglich ist. Insbesondere soll eine Reduzierung des Bauraums und des Gewichts sowie eine Funktions- Verbesserung herbeigeführt werden.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Demgemäß ist ein erfindungswesentlicher Gedanke, den Wärmetauscher und die Brennstoffzelle miteinander zu kombinieren, und zwar so, dass der Wärmetauscher unmittelbar an der Brennstoffzelle angeordnet und mit dieser integriert ist. Damit kann ein unmittelbarer Strömungsübergang vom Wärmetauscher zur Brennstoffzelle erreicht werden. Die Luftversorgung über die gesamte Stackoberfläche kann direkt gewährleistet sein. Diese Kopplung spart nicht nur Bauraum sondern auch Gewicht, da auf zusätzliche Gehäuse, Leitungssysteme und andere konstruktive Einrichtungen, wie z. B. ein sog. Manifold verzichtet werden kann. Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform kann der Wärmetauscher als einfacher Plattenwärmetauscher ausgeführt sein. Je nach Gestaltung des Wärmetauschers kann eine strömungsmäßige Verbesserung der Luftversorgung gegenüber einer Lösung mit Manifold erreicht werden. Zur Erhöhung der Luftvorwärmung ist es überdies möglich, den Wärmetauscher zusätzlich mit einem Brenner auszustatten, so dass das aus der Brennstoffzelle herausgeführte Restgas nachverbrannt wird. Durch die erfolgreiche Verbrennung im Wärmetauscher/Brenner wird diese Restenergie dann ebenfalls - zumindest zum Teil - dem zu erwärmenden Reaktanden zugeführt. Vorzugsweise wird dabei Luft oder Sauerstoff erwärmt.
Eine einfache Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend, auch anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems aus
Brennstoffzelle und Wärmetauscher und
Fig. 2 einen schematischen Aufbau eines herkömmlichen Systems aus Brennstoffzelle und Wärmetauscher.
Ein Aufbau, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, ist aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei wird eine Brennstoffzelle 10, die einen Stack mit einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Einzelzellen 12 aufweist, mit gasförmigen Reaktanden versorgt, und zwar vorliegend mit einem Brenngas, angedeutet durch den Pfeil 24, und Luft, angedeutet durch den Pfeil 22. Die Luft muss, insbesondere bei einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle (z.B. SOFC- Brennstoffzelle), auf ihre Reaktionstemperatur gebracht, also vorerwärmt, werden. Dazu ist ein Wärmetauscher 14 vorgeschaltet, dem über ein Gebläse 18 (nur schematisch dargestellt) in einem Ansaugkanal 16 Luft (vgl. Pfeil 20) zur Verfügung ge- stellt wird und beim Durchfließen des Wärmetauschers 14 auf ihre Betriebstemperatur erwärmt wird.
Der Wärmetauscher 14 erhält die zur Erwärmung der Luft notwendige Wärme aus den Abgasen der Brennstoffzelle 10, welche mit Pfeil 24 gekennzeichnet, stromab- wärts der Einzelzellen 12 ebenfalls durch den Wärmetauscher 14 geleitet und anschließend an die Umgebungsluft (Bezugszeichen 28) abgegeben werden. Zudem wird dem Wärmetauscher auch das restliche Brenngas (Bezugszeichen 26) zugeführt. Der Wärmetauscher 14 ist vorliegend gleichzeitig als Brenner ausgebildet, so dass die nicht verbrauchten Reaktanden (Luft, Brenngas) im Wärmetau- scher/Brenner 14 nachverbrannt werden können. Diese zusätzliche Energie dient ebenfalls zur Erwärmung der vorzuwärmenden Luft.
Durch die herkömmliche Konstruktion mit separatem Wärmetauscher und separater Brennstoffzelle sowie zusätzlichen Leitungen, vorliegend symbolisiert durch die Pfei- le 22, 24 und 26, wird das System relativ komplex, schwer und teuer. Überdies sind sowohl am Brennstoffzelleneingang als auch am Brennstoffzellenausgang Luftverteilungssysteme (sog. Manifolds) notwendig.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die Brennstoffzelle und den Wärmetau- scher zu integrieren. Dies ist in Fig. 1 dargestellt. Die Brennstoffzelle 110 besitzt wiederum eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Einzelzellen 112, die einerseits von dem Brenngas (Bezugszeichen 124) und andererseits von Luft (Bezugszeichen 120) durchströmt werden, wobei durch eine Reaktion dieser beiden Reaktanden ein Stromfluss in der Brennstoffzelle 110 in bekannter Weise generiert wird. In erfindungsgemäßer Weise ist ein Wärmetauscher 114 nun unmittelbar vor dem Stack mit den Einzelzellen 112 derart angeordnet, dass die über einen Ansaugkanal 116 mittels eines Gebläses 118 angesaugte Luft 120 gleichmäßig durch den Wärmetauscher 114 geführt und über den Stack verteilt in die Brennstoffzelle 110 eingebracht wird. Damit bedarf es weder einer zusätzlichen Leitung zwischen dem Wärmetauscher 114 und der Brennstoffzelle 110 noch eines der Brennstoffzelle 110 vorgeschalteten Manifolds.
Die aus der Brennstoffzelle 110 über einen Trichter 113 abgeführte Restluft 124 wird möglichst ohne Umwege zum Wärmetauscher 114 zurückgeleitet. Zudem werden die noch nicht verbrannten Brenngase 126 ebenfalls an den Wärmetauscher zurückgeleitet. Der Wärmetauscher 114 besitzt - wie auch im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 - einen integrierten Brenner, mit dem die noch nicht verbrauchten Reaktanden aus Luft und Brenngas nachverbrannt werden. Die Abgase aus dem Wärmetauscher/Brenner 114 werden an die Umgebung (Pfeil 128) abgegeben.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Bauraum und das Gewicht gegenüber der herkömmlichen Konfiguration zu reduzieren. Überdies ist eine Verbesserung der Luftversorgung der Stacks von Einzelzellen gegenüber einer Lösung mit einem Manifold möglich. Überdies lässt sich diese Funktion durch eine höhere Leistungsdichte des Gesamtsystems verbessern.

Claims

System aus Brennstoffzelle und WärmetauscherPatentansprüche:
1. System umfassend eine Brennstoffzelle (110) und einen Wärmetauscher (114), wobei der Wärmetauscher (114) derart mit der Brennstoffzelle (110) strömungsmäßig gekoppelt ist, dass
- ein gasförmiger Reaktand für die Brennstoffzelle (110) im strömungsmäßig diesbezüglich vorgeschalteten Wärmetauscher (114) vorgewärmt wird und - zumindest ein Teil des Abgases aus der Brennstoffzelle (110) durch den diesbezüglich nachgeschalteten Wärmetauscher (114) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (110) unmittelbar an der Brennstoffzelle (114) angeordnet und mit dieser integriert ist, so dass ein unmittelbarer Strömungs- Übergang vom Wärmetauscher (114) zur Brennstoffzelle (1 10) besteht.
2. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (110) über ihre gesamte Stackbreite aus dem Wär- metauscher (114) mit dem vorgewärmten gasförmigen Reaktanden im wesentlichen gleichmäßig versorgt wird.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorzuerwärmende gasförmige Reaktand Luft oder Sauerstoff ist.
4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmetauscher (114) ein Brenner integriert ist, der als Nachbrenner für den in der Brennstoffzelle nicht verbrauchten Reaktanden dient.
5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher als Plattenwärmetauscher ausgeführt ist.
EP02740443A 2001-05-04 2002-04-03 System aus brennstoffzelle und wärmetauscher Withdrawn EP1384278A2 (de)

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