EP1428281A2 - Brennstoffzellenanlage mit einer brennstoffzelleneinheit - Google Patents

Brennstoffzellenanlage mit einer brennstoffzelleneinheit

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Publication number
EP1428281A2
EP1428281A2 EP02750817A EP02750817A EP1428281A2 EP 1428281 A2 EP1428281 A2 EP 1428281A2 EP 02750817 A EP02750817 A EP 02750817A EP 02750817 A EP02750817 A EP 02750817A EP 1428281 A2 EP1428281 A2 EP 1428281A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel cell
cell unit
cell system
generating
evaporated
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02750817A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ian Faye
Thanh-Hung Nguyen-Schaefer
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1428281A2 publication Critical patent/EP1428281A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system with a fuel cell unit and a device for generating a steam flow for moistening the fuel cell unit according to the preamble of claim 1.
  • Fuel cell technology is becoming increasingly important, particularly in connection with future drive concepts for vehicles. Fuel cells offer the possibility of converting chemically bound energy directly into electrical energy, which can then be converted into mechanical drive energy with the help of an electric motor. In contrast to heat engines, the efficiency of a fuel cell is not limited by Carnot's efficiency. Currently preferred fuel cells consume hydrogen and oxygen and convert these elements into the environmentally friendly end product water.
  • fuel cell units are used here that have both a single fuel cell and an electrical and / or electrochemical connection represents several individual cells.
  • membranes are often used, for example polymer electrolyte membranes, for which the moisture of the starting materials to be supplied is an important operating parameter that has to be kept within narrow limits. For example, too little moisture in the anode gas can dry out the membrane and thus possibly irreparably damage the membrane. If, on the other hand, the humidity is too high, the pore structure of the electrodes can fill with water beyond the optimum value, as a result of which the transport of the starting materials to the catalyst of the fuel cell unit is hindered.
  • an electrically heatable evaporator which evaporates water, which is primarily added to the hydrogen streams to be fed to the fuel cell unit.
  • a relative humidity of the hydrogen stream to be supplied of approximately 95 to 99% is achieved.
  • the object of the invention is to propose a fuel cell system of the type mentioned at the outset, which significantly reduces both the design outlay and the amount of energy to be applied.
  • a fuel cell system according to the invention is characterized in that the device for generating the steam flow is thermally conductively connected to the fuel cell unit.
  • the energy released due to the exothermic chemical reaction in the fuel cell unit i.e. the waste heat from the fuel cell unit can be used to generate the steam flow.
  • Fuel line units e.g. PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), etc.
  • PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell
  • DMFC Direct Methanol Fuel Cell
  • At least one second supply element for supplying the current to be evaporated is arranged between an outlet opening of the fuel cell unit and at least one inlet opening of the device.
  • at least part of the liquid water generated in the fuel cell unit is used as water to be evaporated in the device for generating the Steam flow can be fed, the generated steam flow being fed back into the fuel cell unit by means of the first feed element.
  • Any excess water is removed from the circuit. Alternatively, additional water may possibly be added to the circuit.
  • the removal or supply is preferably carried out downstream of the fuel cell unit or upstream of the device for generating the steam flow.
  • the inlet opening of the device for generating the steam flow comprises at least one dispersing element, in particular an atomizing element such as a nozzle or the like, for scattering or atomizing the stream to be evaporated.
  • the water to be evaporated or the stream to be evaporated can be scattered, atomized, atomized or atomized, so that the evaporation of the stream is improved by increasing its surface area.
  • a plurality of inlet openings of the device for generating the steam flow are preferably provided, as a result of which, in particular, an almost uniform distribution of the flow to be supplied can be achieved over the entire area of the device.
  • At least one pressure generating unit is advantageously provided for pressurizing the stream to be evaporated.
  • Atomizer elements an advantageous spraying of the current to be supplied can be realized, for example, as a spray.
  • the comparatively small drops of Electricity to be evaporated evaporates to a large extent directly during the spraying, in particular due to the waste heat of the fuel cell unit.
  • the remaining part of the stream to be evaporated is preferably gradually evaporated.
  • the device for generating the steam flow has a surface-enlarging structure. This enables the stream to be evaporated, in particular the sprayed stream, to strike or be distributed on a comparatively large, warm surface, as a result of which the evaporation of the stream is additionally improved. In addition, this significantly increases the heat exchanger area, so that the heat transfer from the fuel cell unit to the device for generating the steam flow is also significantly improved.
  • the surface-enlarging structure is preferably designed at least as a rib or the like. Corresponding ribs or the like can be produced comparatively inexpensively, it also being possible, if appropriate, to use existing standard components which are already available.
  • At least one metering element is provided for metering the stream to be evaporated and / or the steam stream.
  • the metering element for example in the form of a control valve or the like, the amount of the stream to be evaporated and / or that of
  • the steam flow to be supplied to the fuel cell unit is controlled or regulated, in particular, by means of a corresponding control and regulating unit. This is preferably an advantageous adaptation to changing operating conditions of the fuel cell system or Realizable fuel cell unit, such as changing the feed or material flows to be supplied.
  • At least the device for generating the steam flow and the fuel cell unit are advantageously designed as a structural unit. This enables a particularly compact geometry or fuel cell system to be implemented, whereby on the one hand the heat transfer from the fuel cell unit to the device for generating the steam flow is additionally improved.
  • the fuel cell system according to the invention can hereby also be used for applications in which there is a comparatively small space available for them.
  • Figure 1 is a schematic side view of a section of a fuel cell system with humidification according to the invention.
  • Figure 2 shows a schematic cross section through a fuel cell system with rib structure according to the invention.
  • Figure 1 is an evaporator 1 and one
  • Fuel cell unit 2 shown which is designed as a particularly compact unit.
  • chemical reaction taking place in the fuel cell unit 2 generates waste heat 3 which is used for the evaporation of water 4.
  • the fuel cell unit 2 generates a water stream 6 in liquid form by reshaping a hydrogen stream 5 fed to the anode and an oxygen or air stream not shown in detail to the cathode.
  • the water flow 6 is fed to the evaporator 1 in particular by means of a branch 7 and a feed line 8.
  • the feed line 8 has, among other things, a pump 9 and a controllable valve 10, so that the water to be supplied to the evaporator 1 is pressurized, in particular with approximately 4 bar, and can be supplied to the evaporator 1 in a metered manner.
  • the pressure in the line 8 advantageously exceeds the pressure in the evaporator 1, so that the atomization quality of the water 4 to be evaporated is improved.
  • the supply line 8 also has a distributor 11 which distributes the water to be supplied to a plurality of spray nozzles 12.
  • the pressurized water is sprayed into the evaporator 1 by means of the nozzles 12 in the form of a spray. Because of the comparatively large surface area of the numerous droplets of the spray 4 sprayed in, these are largely evaporated in the evaporator 1 heated by the waste heat 3 of the fuel cell 2. The water 4 not evaporated during the spraying process is then gradually evaporated due to the relatively warm operating conditions in the evaporator 1.
  • the latter has a rib structure 13, with the aid of which the heat-transferring surface of the evaporator 1 can be clearly seen enlarged and thus the heat transfer from the fuel cell 2 to the evaporator 1 and the efficiency of the evaporation process is improved.
  • water vapor 14 is located in an inner chamber of the evaporator 1 and is supplied to the hydrogen flow 5 by means of a line 15 and a junction 16.
  • the water vapor discharged from the evaporator 1 is metered through a control valve 17 and fed to the hydrogen stream 5 and mixed with it in an advantageous manner.
  • the junction 16 is advantageously designed as a mixing unit 16 for the thorough mixing of the hydrogen stream 5 with the evaporated water 4 from the evaporator 1.
  • the fuel cell unit 2 or, in particular, its membranes are moistened accordingly.
  • a particularly economical fuel cell system is realized, in particular by means of the partial circulation, above all by means of the pump 9 and the feed line 8 or line 15, of the water 4 to be evaporated or of the water 6 generated in the fuel cell unit 2, since in general an additional one
  • the supply of water 4 to be evaporated and thus any storage of the corresponding water 4 which may be necessary can be dispensed with.
  • Any excess water 6 can be removed from the circuit in a relatively simple manner and, owing to the low environmental relevance, can be discharged into the surroundings without great effort, and can be used for further use in the fuel cell system or the like.
  • FIG. 2 shows a cross section AA through the evaporator 1 and a section of the fuel cell unit 2 in a schematic representation.
  • an arrangement of the ribs 13 is shown by way of example.
  • the ribs 13 are preferably arranged largely uniformly in the evaporator 1, although these can also be arranged irregularly under certain circumstances.
  • ribs 13 can also be used which have a different cross-sectional area than the one shown.
  • the ribs 13 can have a largely rectangular cross-sectional area or the like.
  • surface-enlarging structures 13 can also be provided in the evaporator 1, for example in the form of a tube and / or honeycomb structure or the like which is open at the top.
  • a comparatively good heat-conducting material such as metal, metal alloys or the like is used as the material for the ribs 13 and / or for the contact area between the evaporator 1 and the fuel cell 2.

Landscapes

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Abstract

Es wird eine Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelleneinheit (2) und einer Vorrichtung (1) zum Erzeugen eines Dampfstromes (4), insbesondere eines Wasserdampfstromes (4), zur Befeuchtung der Brennstoffzelleneinheit (2), wobei ein erstes Zufuhrelement (15) zur Zuführung des Dampfstromes (4) zwischen einer Auslassöffnung der Vorrichtung (1) und einer Einlassöffnung der Brennstoffzelleneinheit (2) angeordnet ist, vorgeschlagen, die sowohl den konstruktiven Aufwand als auch die aufzubringende Energiemenge deutlich reduziert. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Vorrichtung (1) zum Erzeugen eines Dampfstromes (4) mit der Brennstoffzelleneinheit (2) thermisch leitend in Verbindung steht.

Description

"Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelleneinheit "
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelleneinheit und einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Dampfstromes zur Befeuchtung der Brennstoffzelleneinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Besonders im Zusammenhang mit künftigen Antriebskonzepten von Fahrzeugen gewinnt die Brennstoffzellentechnologie immer mehr an Bedeutung. Brennstoffzellen bieten die Möglichkeit, chemisch gebundene Energie direkt in elektrische Energie umzuwandeln, die anschließend mit Hilfe eines Elektromotors in mechanische Antriebsenergie überführt werden kann. Im Gegensatz zu Wärmekraftmaschinen ist der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle nicht durch den Carnot ' sehen Wirkungsgrad begrenzt. Derzeit bevorzugte Brennstoffzellen verbrauchen Wasserstoff und Sauerstoff und setzen diese Elemente in das umweitschonende Endprodukt Wasser um.
Im Allgemeinen werden hierbei Brennstoffzelleneinheiten verwendet, die sowohl eine einzelne Brennstoffzelle als auch eine elektrische und/oder elektrochemische Verschaltung mehrerer Einzelzellen darstellt. In herkömmlichen Brennstoffzellenanlagen werden häufig Membranen verwendet, beispielsweise Polymerelektrolyt-Membranen, für die die Feuchtigkeit der zuzuführenden Edukte ein wichtiger Betriebsparameter darstellt, der in engen Grenzen gehalten werden muss. So kann beispielsweise eine zu geringe Feuchtigkeit des Anodengases zum Austrocknen der Membran und somit zu einer möglicherweise irreparablen Schädigung der Membran führen. Ist dagegen die Feuchtigkeit zu hoch, so kann sich die Porenstruktur der Elektroden über den optimalen Wert hinaus mit Wasser füllen, wodurch der Transport der Edukte zum Katalysator der Brennstoffzelleneinheit behindert wird.
Aus diesem Grund wird im Allgemeinen bei entsprechenden Brennstoffzellenanlagen ein elektrisch beheizbarer Verdampfer vorgesehen, der Wasser verdampft, das vor allem dem der Brennstoffzelleneinheit zuzuführenden WasserstoffStromes zugegeben wird. Hierbei wird beispielsweise eine relative Feuchtigkeit des zuzuführenden WasserstoffStromes von ca. 95 bis 99 % realisiert.
Nachteilig hierbei ist jedoch, dass zur Erzeugung des Dampfstromes vergleichsweise große Mengen an Energie zur Verfügung gestellt werden müssen und ein relativ hoher konstruktiver Aufwand notwendig ist .
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Brennstoffzellenanlage der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die sowohl den konstruktiven Aufwand als auch die aufzubringende Energiemenge deutlich reduziert.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Stand der Technik der einleitend genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanlage dadurch aus, dass die Vorrichtung zum Erzeugen des Dampfstromes mit der Brennstoffzelleneinheit thermisch leitend in Verbindung steht.
Mit Hilfe dieser Maßnahme wird in vorteilhafter Weise die aufgrund der exothermen chemischen Reaktion in der Brennstoffzelleneinheit frei werdende Energie, d.h. die Abwärme der Brennstoffzelleneinheit, zur Erzeugung des DampfStromes nutzbar. Bei konventionellen
BrennstoffZeileneinheiten, wie z.B. PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), etc., sind beispielsweise max. 15 % der Abwärmeenergie der Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung des notwendigen Wasserdampfes ausreichend. Hierdurch wird insbesondere der Wirkungsgrad der gesamten Brennstoffzellenanlage wesentlich verbessert und zudem der konstruktive Aufwand deutlich dadurch reduziert, dass gegebenenfalls zusätzliche Heizvorrichtungen, wie beispielsweise elektrische Heizungen oder dergleichen gemäß dem Stand der Technik, entfallen können .
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein zweites Zufuhrelement zur Zuführung des zu verdampfenden Stromes zwischen einer Auslassöffnung der Brennstoffzelleneinheit und wenigstens einer Einlassöffnung der Vorrichtung angeordnet. Mit Hilfe des zweiten Zufuhrelements wird wenigstens ein Teil des in der Brennstoffzelleneinheit erzeugten flüssigen Wassers als zu verdampfendes Wasser der Vorrichtung zum Erzeugen des Dampfstromes zuführbar, wobei der erzeugte Dampfstrom mittels dem ersten Zufuhrelement der Brennstoffzelleneinheit wieder zugeführt wird. Hierdurch wird ermöglicht, dass in vorteilhafter Weise eine Kreislaufführung wenigstens eines Teils des zu verdampfenden Wassers ermöglicht wird.
Gegebenenfalls überschüssiges Wasser wird dem Kreislauf entnommen. Alternativ kann möglicherweise zusätzliches Wasser dem Kreislauf zugeführt werden. Vorzugsweise erfolgt die Entnahme bzw. die Zuführung in Strömungsrichtung hinter der Brennstoffzelleneinheit bzw. vor der Vorrichtung zur Erzeugung des DampfStromes .
Vorteilhafterweise umfasst die Einlassöffnung der Vorrichtung zur Erzeugung des Dampfstromes wenigstens ein Zerstreuelement, insbesondere ein Zerstäuberelement wie eine Düse oder dergleichen, zum Verstreuen bzw. Zerstäuben des zu verdampfenden Stromes. Beispielsweise kann hiermit das zu verdampfende Wasser bzw. der zu verdampfende Strom zerstreut, zerstäubt, vernebelt bzw. verdüst werden, so dass das Verdampfen des Stromes durch Vergrößerung seiner Oberfläche verbessert wird.
Vorzugsweise sind mehrere Einlassöffnungen der Vorrichtung zur Erzeugung des DampfStromes vorgesehen, wodurch insbesondere eine nahezu gleichmäßige Verteilung des zuzuführenden Stromes über den gesamten Bereich der Vorrichtung realisiert werden kann.
In vorteilhafter Weise ist wenigstens eine Druckerzeugungseinheit zum Druckbeaufschlagen des zu verdampfenden Stromes vorgesehen. Mit Hilfe dieser Maßnahme wird insbesondere in Kombination mit dem oder den Zerstreubzw. Zerstäuberelementen ein vorteilhaftes Versprühen des zuzuführenden Stromes beispielsweise als Spray realisierbar. Die hierdurch erzeugten vergleichsweise kleinen Tropfen des zu verdampfenden Stromes verdampfen insbesondere aufgrund der Abwärme der Brennstoffzelleneinheit zu einem relativ großen Teil unmittelbar während dem Einsprühen. Der restliche Teil des zu verdampfenden Stromes wird vorzugsweise allmählich verdampft .
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung zum Erzeugen des Dampfstromes eine oberflächenvergrößernde Struktur auf. Hiermit wird ermöglicht, dass der zu verdampfende Strom, insbesondere der versprühte Strom, auf eine vergleichsweise große, warme Oberfläche auftrifft bzw. auf dieser verteilt wird, wodurch die Verdampfung des Stromes zusätzlich verbessert wird. Zusätzlich ist hierdurch die Wärmetauscherfläche wesentlich vergrößert, so dass auch die Wärmeübertragung von der Brennstoffzelleneinheit auf die Vorrichtung zum Erzeugen des DampfStromes deutlich verbessert wird.
Vorzugsweise ist die oberflächenvergrößernde Struktur wenigstens als Rippe oder dergleichen ausgebildet. Entsprechende Rippen oder dergleichen sind vergleichsweise kostengünstig herstellbar, wobei zudem gegebenenfalls auf bereits vorhandene handelsübliche Standardkomponenten zurückgegriffen werden kann.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein Dosierelement zum Dosieren des zu verdampfenden Stromes und/oder des DampfStromes vorgesehen. Mit Hilfe des Dosierelementes, beispielsweise als Steuerventil oder dergleichen ausgebildet, kann die Menge des zu verdampfenden Stromes und/oder des der
Brennstoffzelleneinheit zuzuführenden Dampfstromes vor allem mittels einer entsprechenden Steuer- und Regeleinheit gesteuert bzw. geregelt werden. Vorzugsweise wird hiermit eine vorteilhafte Anpassung an sich verändernde Betriebsbedingungen der Brennstoffzellenanlage bzw. der Brennstoffzelleneinheit realisierbar, wie z.B. Änderung der zuzuführenden Edukt- bzw. Stoffströme.
Vorteilhafterweise sind wenigstens die Vorrichtung zum Erzeugen des Dampfstromes und die Brennstoffzelleneinheit als Baueinheit ausgebildet. Hiermit wird eine besonders kompakte Geometrie bzw. Brennstoffzellenanlage realisierbar, wodurch einerseits die Wärmeübertragung von der Brennstoffzelleneinheit auf die Vorrichtung zum Erzeugen des Dampfstromes zusätzlich verbessert wird. Andererseits kann die Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung hierdurch auch für Anwendungen eingesetzt werden, bei denen ein vergleichsweise geringes Platzangebot für diese vorhanden ist.
Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert .
Im Einzelnen zeigt
Figur 1 eine schematische Seitenansicht eines Ausschnitts einer Brennstoffzellenanlage mit Befeuchtung gemäß der Erfindung und
Figur 2 einen schematischen Querschnitt durch eine Brennstoffzellenanlage mit Rippenstruktur gemäß der Erfindung.
In Figur 1 ist ein Verdampfer 1 und eine
Brennstoffzelleneinheit 2 dargestellt, wobei diese als eine besonders kompakte Baueinheit ausgeführt ist. Durch die in der Brennstoffzelleneinheit 2 stattfindende exotherme, chemische Reaktion wird Abwärme 3 erzeugt, die zur Verdampfung von Wasser 4 verwendet wird. Gleichzeitig erzeugt die Brennstoffzelleneinheit 2 durch die Umformung eines zur Anode zugeführten WasserstoffStromes 5 und eines nicht näher dargestellten zur Kathode einströmenden Sauerstoff- bzw. Luftstromes einen Wasserstrom 6 in flüssiger Form.
Der Wasserstrom 6 wird insbesondere mittels einer Abzweigung 7 und einer Zufuhrleitung 8 dem Verdampfer 1 zugeführt. Die Zufuhrleitung 8 weist unter anderem eine Pumpe 9 sowie ein regelbares Ventil 10 auf, so dass das dem Verdampfer 1 zuzuführende Wasser mit Druck beaufschlagt, insbesondere mit ca. 4 bar, und dem Verdampfer 1 dosiert zugeführt werden kann. Der Druck in der Leitung 8 überschreitet in vorteilhafter Weise den Druck im Verdampfer 1, so dass die Zerstäubungsqualität des zu verdampfenden Wassers 4 verbessert wird.
Die Zufuhrleitung 8 weist zudem einen Verteiler 11 auf, der das zuzuführende Wasser auf mehrere Einsprühdüsen 12 verteilt .
Das mit Druck beaufschlagte Wasser wird mittels der Düsen 12 in Form eines Sprays in den Verdampfer 1 eingesprüht . Aufgrund der vergleichsweise großen Oberfläche der zahlreichen Tröpfchen des eingesprühten Sprays 4 werden diese im durch die Abwärme 3 der Brennstoffzelle 2 erwärmten Verdampfer 1 weitgehend verdampft. Das beim Einsprühvorgang nicht verdampfte Wasser 4 wird aufgrund der relativ warmen Betriebsbedingungen im Verdampfer 1 anschließend allmählich verdampft .
Zur weiteren Verbesserung der Verdampfung im Verdampfer 1 weist dieser eine Rippenstruktur 13 auf, mit Hilfe derer die wärmeübertragende Oberfläche des Verdampfers 1 deutlich vergrößert und somit die Wärmeübertragung von der Brennstoffzelle 2 auf den Verdampfer 1 bzw. der Wirkungsgrad des Verdampfungsprozesses verbessert wird.
In einer Innenkammer des Verdampfers 1 befindet sich gemäß Figur 1 Wasserdampf 14, der mittels einer Leitung 15 und einer Zusammenführung 16 dem Wasserstoffström 5 zugeführt wird. Hierbei wird insbesondere der vom Verdampfer 1 abgeführte Wasserdampf durch ein Steuerventil 17 dosiert und dem Wasserstoffström 5 zugeführt sowie mit diesem in vorteilhafter Weise vermischt. Vorteilhafterweise ist die Zusammenführung 16 als Durchmischeinheit 16 zur weitgehenden Durchmischung des WasserstoffStroms 5 mit dem verdampften Wasser 4 aus dem Verdampfer 1 ausgebildet. Hierdurch wird die Brennstoffzelleneinheit 2 bzw. vor allem deren Membranen entsprechend befeuchtet .
Insbesondere durch die teilweise Kreislaufführung, vor allem mittels der Pumpe 9 sowie der Zufuhrleitung 8 bzw. Leitung 15, des zu verdampfenden Wassers 4 bzw. des in der Brennstoffzelleneinheit 2 erzeugten Wassers 6 wird eine besonders wirtschaftlich günstige Brennstoffzellenanlage realisiert, da im Allgemeinen auf eine zusätzliche Zuführung von zu verdampfendem Wasser 4 und somit einer gegebenenfalls notwendigen Speicherung des entsprechenden Wassers 4 verzichtet werden kann.
Gegebenenfalls überschüssiges Wasser 6 kann dem Kreislauf in relativ einfacher Weise entnommen und aufgrund der geringen Umweltrelevanz ohne großen Aufwand in die Umgebung abgelassen, zur weiteren Verwendung in der Brennstoffzellenanlage oder dergleichen eingesetzt werden.
In Figur 2 ist in sche atischer Darstellung ein Querschnitt A-A durch den Verdampfer 1 und ein Ausschnitt der Brennstoffzelleneinheit 2 dargestellt. Hierbei ist beispielhaft eine Anordnung der Rippen 13 aufgezeigt. Vorzugsweise sind die Rippen 13 weitgehend gleichmäßig im Verdampfer 1 angeordnet, wobei diese jedoch auch unter bestimmten Umständen unregelmäßig angeordnet werden können.
Darüber hinaus kann im Gegensatz zu den in Figur 2 dargestellten spitz zulaufenden Rippen 13 auch Rippen 13 verwendet werden, die eine andere Querschnittsfläche aufweisen als die dargestellte. Beispielsweise können die Rippen 13 eine weitgehend rechteckige Querschnittsfläche oder dergleichen aufweisen.
Weiterhin ist denkbar, dass auch oberflächenvergrößernde Strukturen 13 im Verdampfer 1 vorgesehen werden können, die beispielsweise als nach oben offene Röhren- und/oder Wabenstruktur oder dergleichen ausgebildet sind.
Grundsätzlich wird als Material für die Rippen 13 und/oder für den Kontaktbereich zwischen dem Verdampfer 1 und der Brennstoffzelle 2 ein vergleichsweise gut wärmeleitendes Material wie z.B. Metall, Metalllegierungen oder dergleichen verwendet .
Bezugszeichenliste:
1 Verdampfer
2 Brennstoffzelleneinheit
3 Abwärme
4 Wasser
5 Wasserstoffström
6 Wasserstrom
7 Abzweigung
8 Zufuhr1eitung
9 Pumpe
10 Ventil
11 Verteiler
12 Düse
13 Rippenstruktur
14 Wasserdampf
15 Leitung
16 Zusammenführung
17 Ventil

Claims

Ansprüche :
1. Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelleneinheit (2) und einer Vorrichtung (1) zum Erzeugen eines DampfStromes (4), insbesondere eines WasserdampfStromes (4), zur
Befeuchtung der Brennstoffzelleneinheit (2), wobei ein erstes Zufuhrelement (15) zur Zuführung des DampfStromes (4) zwischen einer Auslassöffnung der Vorrichtung (1) und einer Einlassöffnung der Brennstoffzelleneinheit (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zum Erzeugen des DampfStromes (4) mit der Brennstoffzelleneinheit (2) thermisch leitend in Verbindung steht.
2. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zweites Zufuhrelement (8) zur Zuführung des zu verdampfenden Stromes (4) zwischen einer Auslassöffnung der Brennstoffzelleneinheit (2) und wenigstens einer Einlassöffnung der Vorrichtung (1) angeordnet ist.
3. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung der Vorrichtung (1) zum Erzeugen des DampfStromes (4) wenigstens ein Zerstreuelement (12) zum Zerstreuen des zu verdampfenden Stromes (4) umfasst.
4. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einlassöffnungen der Vorrichtung (1) zum Erzeugen des DampfStromes (4) vorgesehen sind.
5. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Druckerzeugungseinheit (9) zum Druckbeaufschlagen des zu verdampfenden Stromes (4) vorgesehen ist.
6. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zum Erzeugen des Dampfstro es (4) eine oberflächenvergrößernde Struktur (13) aufweist.
7. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächenvergrößernde Struktur (13) wenigstens als Rippe (13) ausgebildet ist.
8. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Dosierelement (10, 17) zum Dosieren des zu verdampfenden Stromes (4) und/oder des DampfStromes (4) vorgesehen ist.
9. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Vorrichtung (1) zum Erzeugen des DampfStromes (4) und die Brennstoffzelleneinheit (2) als Baueinheit ausgebildet sind.
EP02750817A 2001-08-11 2002-07-03 Brennstoffzellenanlage mit einer brennstoffzelleneinheit Withdrawn EP1428281A2 (de)

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EP (1) EP1428281A2 (de)
DE (1) DE10139614A1 (de)
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