WO2003052853A2 - Brennstoffzellensystem mit einer brennstoffzellenabgas-wasserrückgewinnungseinrichtung - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit einer brennstoffzellenabgas-wasserrückgewinnungseinrichtung Download PDF

Info

Publication number
WO2003052853A2
WO2003052853A2 PCT/EP2002/011879 EP0211879W WO03052853A2 WO 2003052853 A2 WO2003052853 A2 WO 2003052853A2 EP 0211879 W EP0211879 W EP 0211879W WO 03052853 A2 WO03052853 A2 WO 03052853A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
exhaust gas
heat exchanger
cell exhaust
cell system
Prior art date
Application number
PCT/EP2002/011879
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2003052853A3 (de
Inventor
Immanuel Kutschera
René VAN DOORN
Jens Arik Almkermann
Original Assignee
Audi Ag
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 Audi Ag filed Critical Audi Ag
Publication of WO2003052853A2 publication Critical patent/WO2003052853A2/de
Publication of WO2003052853A3 publication Critical patent/WO2003052853A3/de

Links

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
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • 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
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • 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
    • 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
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • 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, in particular of a motor vehicle, with a fuel cell exhaust gas water recovery device, according to the preamble of claim 1.
  • Fuel cell systems of the type mentioned are already known. A sufficient water supply must be ensured in such systems. When using polymer electrolyte membranes, they must be moistened with water to ensure a correct proton guiding mechanism. There may also be a need for water vapor for fuel reforming if the fuel cell system used is not pure hydrogen, but hydrocarbons. In this case, a fuel cell exhaust gas water recovery device is provided in a known manner, in order to be able to ensure that the water balance in the fuel cell system is as closed as possible during its operation, so that additional water reservoirs to ensure an adequate water supply can be dispensed with.
  • the water is recovered from a practically pollutant-free fuel cell exhaust gas, which essentially consists of N 2 , O 2 , H 2 O and, in reformate mode, additionally of CO 2 . Furthermore, the fuel cell exhaust gas stream emerging from the fuel cell unit has a pressure level which is above the ambient pressure (atmospheric pressure).
  • a disadvantage of the known fuel cell systems is that the water is recovered using a device that has a relatively unfavorable efficiency.
  • a fuel cell system with the features of claim 1 which is characterized in that the water recovery device has a fuel cell exhaust gas heat exchanger for achieving this a heat transfer between two fuel cell exhaust gas flows of different temperatures.
  • a heat exchanger By means of such a heat exchanger, it is possible, in combination with other cooling devices, to achieve water recovery in the fuel cell system which is more efficient and more effective than traditional solutions.
  • one and the same fuel cell exhaust gas flow can be used which, when it enters the heat exchanger for the first time, has a relatively high operating temperature and, when subsequently returned to the same, has the lowest possible operating temperature.
  • the same is subjected to a treatment which lowers the fuel cell exhaust gas operating temperature by means of suitable devices in the return line.
  • the water recovery device advantageously has a second fuel cell exhaust gas heat exchanger for achieving heat transfer between a fuel cell gas stream and a coolant.
  • Coolant is understood here to mean any medium that is suitable for cooling the fuel cell exhaust gas stream, but is not formed by the fuel cell exhaust gas stream to be cooled.
  • the coolant can be, for example, a mixture of water and glycol, for example G12.
  • the second heat exchanger differs from the first heat exchanger in that in the second heat exchanger a cooling material flow independent of the fuel cell exhaust gas is used for water recovery, while the first heat exchanger uses one and the same fuel cell exhaust gas flow at different temperature levels for the same purpose.
  • the first and second fuel cell exhaust gas heat exchangers are connected in series with one another.
  • the complete fuel cell exhaust gas flow is fed to two mutually independent heat exchangers for successive cooling.
  • a parallel connection of the first and the second fuel cell exhaust gas heat exchanger is also conceivable, wherein, for example, two partial flows of the fuel cell exhaust gas can each be passed through an associated heat exchanger to cool them.
  • a combination of series and parallel connection of the two types of heat exchanger mentioned is also conceivable.
  • the first fuel cell exhaust gas heat exchanger can be connected upstream or downstream of the second fuel cell exhaust gas heat exchanger, as seen in the exhaust gas flow direction. In both arrangements, the two heat exchangers are connected in series. By means of a suitable arrangement of the two heat exchangers in relation to one another, an operationally optimized overall efficiency in water recovery in the fuel cell system can be achieved. The design of the two heat exchangers can also depend on their arrangement in relation to one another in the fuel cell system.
  • a condensate separator is advantageously connected downstream of the first fuel cell exhaust gas heat exchanger or the second fuel cell exhaust gas heat exchanger. Due to the optimized fuel cell exhaust gas cooling, an effective and relatively simple water recovery in the fuel cell system can preferably be achieved by means of a condensate separator, preferably for realizing a closed water balance.
  • the condensate separator is followed by a fuel cell exhaust gas expander using mechanical power.
  • a fuel cell exhaust gas expander serves to further lower the temperature of the penetrating fuel cell exhaust gas, which is then fed to the first heat exchanger after reaching a relatively low operating temperature in order to achieve a desired heat transfer between the two fuel cell exhaust gas streams of different temperature which come into active contact. Since fuel cell systems operate at relatively high operating pressures, an expander used in this way can also be used to recover the compression energy contained in the fuel cell exhaust gas.
  • a fuel cell exhaust gas throttle is connected downstream of the condensate separator, in particular in the form of a pressure control valve. Even if, when using such a throttle, a lower fuel cell exhaust gas cooling can possibly be achieved compared to an expander due to the resulting friction effects, with a resultant lower effectiveness of the first heat exchanger due to the lower temperature difference between the two same passing fuel cell exhaust gas flows, by using a throttle instead of an expander a more compact design and a more flexible pressure control of the fuel cell exhaust gas can be realized. If necessary, a second condensate separator can be connected downstream of the fuel cell exhaust gas expander or throttle. This ensures a practically maximum possible water recovery in the fuel cell system.
  • first fuel cell exhaust gas heat exchanger or the second fuel cell exhaust gas heat exchanger may be followed by a fuel cell exhaust gas expander or a fuel cell exhaust gas throttle, the expander or the. Throttle is connected to a condensate separator on its respective fuel cell exhaust gas outlet side.
  • a single condensate separation takes place in the fuel cell system following a particularly effective fuel cell exhaust gas cooling.
  • the fuel cell exhaust gas throttle is preferably connected to the first heat exchanger by means of a supply line emitting fuel cell exhaust gas heat.
  • a supply line emitting fuel cell exhaust gas heat.
  • the fuel cell exhaust gas stream to be cooled in the first heat exchanger advantageously contains exhaust gas flowing directly from the fuel cell device and the heating fuel cell exhaust gas stream which is cooled contains exhaust gas from the fuel cell device. This enables an efficient water recovery in the fuel cell system to achieve a closed water balance in the same.
  • Figure 1 shows an inventive fuel cell system according to a first
  • Figure 2 shows an inventive fuel cell system of a second, alternative
  • Embodiment based on a block diagram Embodiment based on a block diagram.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a fuel cell system, generally designated 10.
  • the fuel cell system 10 includes a fuel cell device 11 and a fuel cell exhaust gas water recovery device, generally designated 12.
  • the water recovery device 12 contains a fuel cell exhaust gas heat exchanger 14, which is connected to the same on the exhaust side of the fuel cell device 11 by means of a feed line (arrow 16).
  • a supply line (arrow 22) leads from the heat exchanger 14 (first heat exchanger) to a second fuel cell exhaust gas heat exchanger 20 which is connected to a condensate separator 26 by means of a supply line (arrow 25).
  • the condensate separator 26 is connected on the outlet side by means of a feed line (arrow 27) to a fuel cell exhaust gas expander 28, from which a feed line 35 leads to the first heat exchanger 14.
  • the fuel cell exhaust gas flow is then passed on from the first heat exchanger 14 according to arrow 19 in the fuel cell system 10.
  • the fuel cell system 10 according to FIG. 1 has two different heat exchangers 14, 20 for cooling fuel cell exhaust gas emerging from the fuel cell device 11.
  • the first heat exchanger 14 serves to achieve heat transfer between two fuel cell exhaust gas flows (arrows 16, 18) which contain fuel cell exhaust gas at different temperatures.
  • the second heat exchanger 20, serves to achieve heat transfer between a fuel cell exhaust gas flow (arrow 22) and a coolant 24.
  • the first and second heat exchangers 14, 20 are connected in series, the first heat exchanger 14 viewed in the exhaust gas flow direction (arrow 22) is connected upstream of the second heat exchanger 20.
  • the condensate separator 26 serves to separate water (arrow 36) from the cooled fuel cell exhaust gas (arrow 25).
  • the fuel cell exhaust gas which has already been cooled and freed of condensate components, is then fed to the expander 28 according to arrow 27 using a mechanical power. Due to the lowering of the pressure of the fuel cell exhaust gas passing through the expander 28, the temperature of the fuel cell continues to decrease further, so that a further water recovery from the fuel cell exhaust gas according to the arrow 38 can be done. From the expander 28, the fuel cell exhaust gas stream (arrow 18) is returned through the feed line 35 into the first heat exchanger 14. Because of the relatively low operating temperature of the fuel cell exhaust gas flow (arrow 18), the warm fuel cell exhaust gas flow (arrow 16), which at the same time passes through the first heat exchanger 14, is cooled particularly efficiently.
  • the use of an expander 28 is advantageous in fuel cell systems 10 with operating pressures very much greater than 1 bar due to the remaining, relatively high expansion pressure ratio even with previous fuel cell exhaust gas cooling.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an alternative embodiment of a fuel cell system 10 according to the invention.
  • the fuel cell system 10 of Figure 2 corresponds essentially to that of Figure 1, but instead of an expander 28, a fuel cell exhaust gas throttle 30 is provided, which on its outlet side by means of a feed line ( Arrow 31) is connected to a second condensate separator 32.
  • a second water separation takes place from the fuel cell exhaust gas according to arrow 40.
  • a feed line 34 which emits exhaust heat to the environment can, as in the present exemplary embodiment be provided which the second condensate separator
  • the first and second heat exchangers 14, 20 can be integrated as a compact structural unit by integrating the two heat exchangers 14, 20

Abstract

Das Brennstoffzellensystem (10) ist insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorgesehen und enthält eine Brennstoffzellenabgas-Wasserrückgewinnungseinrichtung (12). Hierbei ist vorgesehen, dass die Wasserrückgewinnungseinrichtung (12) einen Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (14) aufweist zur Erzielung eines Wärmeübergangs zwischen zwei Brennstoffzellenabgasströmmen (16, 18) unterschiedlicher Temperatur.

Description

Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzellenabqas- Wasserrückgewinnungseinrichtung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Brennstoffzellenabgas-Wasserrückgewinnungseinrichtung, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Brennstoffzellensysteme der eingangs genannten Art sind bereits bekannt. Dabei ist bei derartigen Systemen eine hinreichende Wasserversorgung sicherzustellen. Bei Einsatz von Polymerelektrolyt-Membranen sind selbige zur Gewährleistung eines korrekten Pro- tonenleitmechanismus mit Wasser zu befeuchten. Ferner kann ein Bedarf an Wasserdampf zur Kraftstoffreformierung auftreten, falls zum Betreiben des Brennstoffzellensystems nicht reiner Wasserstoff sondern Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden. Dabei ist in bekannter Weise eine Brennstoffzellenabgas-Wasserrückgewinnungseinrichtung vorgesehen, um einen möglichst geschlossenen Wasserhaushalt im Brennstoffzellensystem während dessen Betrieb sicherstellen zu können, so dass hierzu auf zusätzliche Wasserspeicher zur Gewährleistung einer hinreichenden Wasserversorgung verzichtet werden kann. Dabei erfolgt die Wasserrückgewinnung aus einem praktisch schadstofffreien Brennstoffzellenabgas, das im Wesentlichen aus N2, O2, H2O und im Reformatbetrieb zusätzlich aus CO2 besteht. Ferner weist der aus der Brennstoffzelleneinheit austretende Brennstoffzellenabgasstrom ein oberhalb des Umgebungsdrucks (Atmosphärendruck) liegendes Druckniveau auf. Ein Nachteil der bekannten Brennstoffzellensysteme ist, dass die Wasserrückgewinnung mit einer Einrichtung erfolgt, die einen verhältnismäßig ungünstigen Wirkungsgrad aufweist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das im Vergleich zu traditionellen Brennstoffzellensystemen eine wirkungsgradgünstigere und effektivere Wasserrückgewinnung aus dem Brennstoffzellenabgas erlaubt.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, das sich dadurch auszeichnet, dass die Wasserrückgewinnungseinrichtung einen Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher aufweist zur Erzielung eines Wärmeübergangs zwischen zwei Brennstoffzellenabgasströmen unterschiedlicher Temperatur. Mittels eines derartigen Wärmetauschers ist es gegebenenfalls in Kombination mit weiteren Kühleinrichtungen möglich, eine im Vergleich zu traditionellen Lösungen wirkungsgradgünstigere und effektivere Wasserrückgewinnung im Brennstoffzellensystem zu erzielen. Hierzu kann ein und derselbe Brennstoffzellenabgasstrom genutzt werden, der bei erstmaligem Eintritt in den Wärmetauscher eine verhältnismäßig hohe Betriebstemperatur aufweist und bei nachfolgender Rückführung in selbigen eine möglichst niedrige Betriebstemperatur aufweist. Zur Erzielung der erwünschten Temperaturdifferenz des den Wärmetauscher durchsetzenden Brennstoffzellenabgases wird selbiges mittels geeigneter Einrichtungen im Rückführstrang einer die Brennstoffzellenabgas- Betriebstemperatur absenkenden Behandlung unterzogen.
Mit Vorteil weist die Wasserrückgewinnungseinrichtung einen zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher auf zur Erzielung eines Wärmeübergangs zwischen einem Brenn- stoffzellengasstrom und einem Kühlmittel. Hierbei wird unter Kühlmittel ein beliebiges Medium verstanden, das zu einer Kühlung des Brennstoffzellenabgasstroms geeignet ist, jedoch nicht durch den zu kühlenden Brennstoffzellenabgasstrom gebildet wird. Bei dem Kühlmittel kann es sich beispielsweise um ein Gemisch aus Wasser und Glykol, zum Beispiel G12 handeln. Somit unterscheidet sich der zweite Wärmetauscher vom ersten Wärmetauscher dadurch, dass beim zweiten Wärmetauscher ein vom Brennstoffzellenabgas unabhängiger Kühlmaterialstrom zur Wasserrückgewinnung genutzt wird, während der erste Wärmetauscher ein und denselben Brennstoffzellenabgasstrom auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zum gleichen Zweck nutzt.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste und der zweite Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher zueinander in Reihe geschaltet. Hierbei wird der vollständige Brennstoffzellenabgasstrom zwei voneinander unabhängigen Wärmetauschern zur sukzessiven Kühlung zugeführt. Alternativ ist auch eine Parallelschaltung des ersten und des zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauschers denkbar, wobei beispielsweise zwei Teilströme des Brennstoffzellenabgases durch jeweils einen zugehörigen Wärmetauscher zu deren Kühlung geleitet werden können. Darüber hinaus ist auch eine Kombination an Reihen- und Parallelschaltung der genannten zwei Wärmetauscherarten denkbar. Mittels einer teilweisen oder vollständigen Parallelschaltung der zwei Wärmetauscher ist eine flexible Brennstoffzellenabgaskühlung und somit eine effektive Wasserrückgewinnung im Brennstoffzellensystem möglich. Der erste Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher kann in Abgasströmungsrichtung gesehen dem zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher vorgeschaltet oder nachgeschaltet sein. Dabei handelt es sich bei beiden Anordnungen um eine Reihenschaltung der zwei Wärmetauscher. Mittels geeigneter Anordnung der zwei Wärmetauscher zueinander kann gegebenenfalls ein betriebsoptimierter Gesamtwirkungsgrad bei der Wasserrückgewinnung im Brennstoffzellensystem erzielt werden. Die Auslegung der zwei Wärmetauscher kann dabei auch von deren Anordnung zueinander im Brennstoffzellensystem abhängen.
Vorteilhafterweise ist dem ersten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher oder dem zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher ein Kondensatabscheider nachgeschaltet. Aufgrund der optimierten Brennstoffzellenabgaskühlung lässt sich mittels eines Kondensatabscheiders eine effektive und verhältnismäßig einfache Wasserrückgewinnung im Brennstoffzellensystem vorzugsweise zur Realisierung eines geschlossenen Wasserhaushalts erzielen.
Entsprechend einer möglichen Ausführungsform ist dem Kondensatabscheider ein Brennstoffzellenabgas-Expander unter Ausnutzung einer mechanischen Leistung nachgeschaltet. Dabei dient ein derartiger Expander zu einer weiteren Temperaturerniedrigung des selbigen durchsetzenden Brennstoffzellenabgases, das anschließend nach Erreichen einer verhältnismäßig niedrigen Betriebstemperatur dem ersten Wärmetauscher zugeführt wird zur Erzielung eines erwünschten Wärmeübergangs zwischen den zwei in Wirkkontakt tretenden Brennstoffzellenabgasströmen unterschiedlicher Temperatur. Da Brennstoffzellensysteme bei verhältnismäßig hohen Betriebsdrücken arbeiten, kann ein derart eingesetzter Expander auch zur Zurückgewinnung der im Brennstoffzellenabgas enthaltenen Kompressionsenergie dienen.
Entsprechend einer weiteren, alternativen Ausführungsform ist dem Kondensatabscheider eine Brennstoffzellenabgas-Drossel insbesondere in Form eines Druckhalteventils nachgeschaltet. Auch wenn bei Einsatz einer derartigen Drossel gegebenenfalls im Vergleich zu einem Expander eine geringere Brennstoffzellenabgaskühlung aufgrund sich einstellender Reibungseffekte erzielbar ist, mit einer daraus resultierenden geringeren Effektivität des ersten Wärmetauschers aufgrund der geringeren Temperaturdifferenz der zwei selbigen durchsetzenden Brennstoffzellenabgasströme, kann mittels Einsatz einer Drossel anstelle eines Expanders eine kompaktere Ausgestaltung und eine flexiblere Druckregelung des Brennstoffzellenabgases realisiert werden. Gegebenenfalls kann dem Brennstoffzellenabgas-Expander oder -Drossel ein zweiter Kondensatabscheider nachgeschaltet sein. Hierdurch wird eine praktisch maximal mögliche Wasserrückgewinnung im Brennstoffzellensystem gewährleistet.
Ferner ist es möglich, dass dem ersten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher oder dem zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher ein Brennstoffzellenabgas-Expander oder eine Brennstoffzellenabgas-Drossel nachgeschaltet ist, wobei der Expander oder die. Drossel an ihrer jeweiligen Brennstoffzellenabgas-Austrittsseite mit einem Kondensatabscheider verbunden ist. Bei dieser alternativen Ausführungsform erfolgt somit eine einzige Kondensatabscheidung im Brennstoffzellensystem im Anschluss an eine besonders effektive Brennstoffzellenabgaskühlung.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzellenabgas-Drossel mittels einer Brennstoffzellenabgas- wärme abgebenden Zuführleitung mit dem ersten Wärmetauscher verbunden. Mittels einer derartigen, weiteren Temperaturabnahme des in den ersten Wärmetauscher zurückzuführenden Brennstoffzellenabgases kann der Wirkungsgrad des ersten Wärmetauschers bei Einsatz einer eine verhältnismäßig niedrige Kühlleistung aufweisenden Drossel verbessert werden. Gegebenenfalls kann eine derartige Zuführleitung auch bei Einsatz eines Expanders in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen dem sich in der Zuführleitung befindenden Brennstoffzellenabgas und der Umgebungsluft sinnvoll sein. Für den Fall allerdings, dass das Brennstoffzellenabgas in der Zuführleitung kälter als die Umgebungsluft ist, wird der Einsatz einer wärmeisolierten Zuführleitung bevorzugt, so dass eine nicht erwünschte Erwärmung des Brennstoffzellenabgases vor Wiedereintritt in den ersten Wärmetauscher wenigstens begrenzt werden kann.
Mit Vorteil enthält der im ersten Wärmetauscher zu kühlende Brennstoffzellenabgasstrom unmittelbar aus der Brennstoffzelleneinrichtung strömendes Abgas und der sich erwärmende Brennstoffzellenabgasstrom gekühltes Abgas der Brennstoffzelleneinrichtung. Dies ermöglicht eine wirkungsgradgünstige Wasserrückgewinnung im Brennstoffzellensystem zur Realisierung eines möglichst geschlossenen Wasserhaushalts in selbigem.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.
Die Erfindung wird nachfolgend in zwei Ausführungsbeispielen anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem entsprechend einer ersten
Ausführungsform anhand eines Blockschaltbildes und
Figur 2 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem einer zweiten, alternativen
Ausführungsform anhand eines Blockschaltbildes.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines allgemein mit 10 bezeichneten Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem 10 enthält eine Brennstoffzelleneinrichtung 11 und eine allgemein mit 12 bezeichnete Brenne stoffzellenabgas-Wasserrückgewinnungseinrichtung. Die Wasserrückgewinnungseinrichtung 12 enthält einen Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher 14, welcher auf der Abgasseite der Brennstoffzelleneinrichtung 11 mittels einer Zuführleitung (Pfeil 16) mit selbiger verbunden ist. Vom Wärmetauscher 14 (erster Wärmetauscher) führt eine Zuführleitung (Pfeil 22) zu einem zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärrnetauscher 20, der mittels einer Zuführleitung (Pfeil 25) mit einem Kondensatabscheider 26 verbunden ist. Der Kondensatabscheider 26 ist austrittssseitig mittels einer Zuführleitung (Pfeil 27) mit einem Brenn- stoffzellenabgas-Expander 28 verbunden, von welchem eine Zuführleitung 35 zu dem ersten Wärmetauscher 14 führt. Der Brennstoffzellenabgasstrom wird anschließend vom ersten Wärmetauscher 14 gemäß Pfeil 19 im Brennstoffzellensystem 10 weitergeleitet.
Das Brennstoffzellensystem 10 gemäß Figur 1 weist zwei voneinander unterschiedliche Wärmetauscher 14, 20 zur Kühlung von aus der Brennstoffzelleneinrichtung 11 austretendem Brennstoffzellenabgas auf. Dabei dient der erste Wärmetauscher 14 zur Erzielung eines Wärmeübergangs zwischen zwei Brennstoffzellenabgasströmen (Pfeile 16, 18), welche Brennstoffzellenabgas mit unterschiedlichen Temperaturen enthalten. Der zweite Wärmetauscher 20 dient dagegen zur Erzielung eines Wärmeübergangs zwischen einem Brennstoffzellenabgasstrom (Pfeil 22) und einem Kühlmittel 24. Der erste und zweite Wärmetauscher 14, 20 sind in diesem Ausführungsbeispiel in Reihe geschaltet, wobei der erste Wärmetauscher 14 in Abgasströmungsrichtung (Pfeil 22) gesehen dem zweiten Wärmetauscher 20 vorgeschaltet ist. Der Kondensatabscheider 26 dient dazu, aus dem gekühlten Brennstoffzellenabgas (Pfeil 25) Wasser (Pfeil 36) abzuscheiden. Anschließend wird das bereits gekühlte und von Kondensatanteilen befreite Brennstoffzellenabgas gemäß Pfeil 27 dem Expander 28 zugeführt unter Ausnutzung einer mechanischen Leistung. Aufgrund der Druckerniedrigung des den Expander 28 durchsetzenden Brennstoffzellenabgases stellt sich eine weitere Temperaturerniedrigung desselben ein, so dass eine weitere Wasserrückgewinnung aus dem Brennstoffzellenabgas gemäß Pfeil 38 erfolgen kann. Vom Expander 28 wird der Brennstoffzellenabgasstrom (Pfeil 18) durch die Zuführleitung 35 in den ersten Wärmetauscher 14 zurückgeführt. Aufgrund der verhältnismäßig niedrigen Betriebstemperatur des Brennstoffzellenabgasstroms (Pfeil 18) erfolgt eine besonders wirkungsgradgünstige Abkühlung des gleichzeitig den ersten Wärmetauscher 14 durchsetzenden warmen Brennstoffzellenabgasstroms (Pfeil 16). Der Einsatz eines Expanders 28 ist bei Brennstoffzellensystemen 10 mit Betriebsdrücken sehr viel größer als 1 bar vorteilhaft aufgrund des verbleibenden, verhältnismäßig hohen Expansionsdruckverhältnisses auch bei vorheriger Brennstoffzellenabgaskühlung.
Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10. Dabei entspricht das Brennstoffzellensystem 10 der Figur 2 im Wesentlichen derjenigen der Figur 1, jedoch ist statt eines Expanders 28 eine Brennstoffzellenabgas-Drossel 30 vorgesehen, welche an ihrer Austrittsseite mittels einer Zuführleitung (Pfeil 31) mit einem zweiten Kondensatabscheider 32 verbunden ist. Auch bei dieser Ausführungsform erfolgt somit eine zweite Wasserab- scheidung aus dem Brennstoffzellenabgas gemäß Pfeil 40. Bei einer im Vergleich zum Expander 28 (Figur 1) geringeren Abgastemperaturverringerung mittels der Drossel 30 kann -wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel- eine an die Umgebung Abgaswärme abgebende Zuführleitung 34 vorgesehen sein, welche den zweiten Kondensatabscheider
32 mit dem ersten Wärmetauscher 14 in Abgasströmungsrichtung (Pfeil 18) verbindet. Hierdurch ist es möglich, eine weitere erwünschte Temperatursenkung des durch die Zuführleitung 34 strömenden Brennstoffzellenabgases zu erzielen, so dass der erste Wärmetauscher 14 in besonders wirkungsgradgünstiger Weise betrieben werden kann. Der erste und zweite Wärmetauscher 14, 20 können gemäß schematischer Darstellung in Figur 2 mittels Bauteilintegration beider Wärmetauscher 14, 20 als kompakte Baueinheit
33 ausgebildet sein.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Brennstoffzellenabgas-Wasserrückgewinnungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserrückgewinnungseinrichtung (12) einen Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (14) aufweist zur Erzielung eines Wärmeübergangs zwischen zwei Brennstoffzellenabgas- strömen (16,18) unterschiedlicher Temperatur.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserrückgewinnungseinrichtung (12) einen zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (20) aufweist zur Erzielung eines Wärmeübergangs zwischen einem Brennstoffzellenabgasstrom (22) und einem Kühlmittel (24).
3. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (14,20) zueinander in Reihe geschaltet sind.
4. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (14) in Abgasströmungsrichtung (22) gesehen dem zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (20) vorgeschaltet ist.
5. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (14) in Abgasströmungsrichtung (22) gesehen dem zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (20) nachgeschaltet ist.
6. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (14) oder dem zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (20) ein Kondensatabscheider (26) nachgeschaltet ist.
7. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kondensatabscheider (26) ein Brennstoffzellenabgas-Expander (28) unter Ausnutzung einer mechanischen Leistung nachgeschaltet ist.
8. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kondensatabscheider (26) eine Brennstoffzellenabgas-Drossel (30) nachgeschaltet ist.
9. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenabgas-Drossel als Druckhalteventil ausgebildet ist.
10. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brennstoffzellenabgas-Expander (28) oder -Drossel (30) ein zweiter Kondensatabscheider (32) nachgeschaltet ist.
11. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (14) oder dem zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (20) ein Brennstoffzellenabgas-Expander (28) oder eine Brennstoffzellenabgas-Drossel (30) nachgeschaltet ist und der Expander (28) oder die Drossel (30) an ihrer jeweiligen Brennstoffzellenabgas-Austrittsseite mit einem Kondensatabscheider verbunden ist.
12. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenabgas-Drossel (30) mittels einer Brennstoffzellenabgaswärme abgebenden Zuführleitung (34) mit dem ersten Wärmetauscher (14) verbunden ist.
13. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der im ersten Wärmetauscher (14) zu kühlende Brennstoffzellenabgasstrom (16) unmittelbar aus der Brennstoffzelleneinrichtung (11) strömendes Abgas enthält und der sich erwärmende Brennstoffzellenabgasstrom (18) gekühltes Abgas der Brennstoffzelleneinrichtung (11) enthält.
PCT/EP2002/011879 2001-10-26 2002-10-24 Brennstoffzellensystem mit einer brennstoffzellenabgas-wasserrückgewinnungseinrichtung WO2003052853A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10152311.4 2001-10-26
DE10152311A DE10152311A1 (de) 2001-10-26 2001-10-26 Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzellenabgas-Wasserrückgewinnungseinrichtung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2003052853A2 true WO2003052853A2 (de) 2003-06-26
WO2003052853A3 WO2003052853A3 (de) 2003-11-27

Family

ID=7703464

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2002/011879 WO2003052853A2 (de) 2001-10-26 2002-10-24 Brennstoffzellensystem mit einer brennstoffzellenabgas-wasserrückgewinnungseinrichtung

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE10152311A1 (de)
WO (1) WO2003052853A2 (de)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10337607A1 (de) * 2003-08-16 2005-03-10 Volkswagen Ag Brennstoffzellensystem mit Wasserrückgewinnungsvorrichtung
DE102004034870B4 (de) 2004-07-19 2007-08-09 Liebherr-Aerospace Lindenberg Gmbh System zur Wassergewinnung aus einem Abgasstrom einer Brennstoffzelle eines Luftfahrzeuges und Verwendung des Systems in einem Luftfahrzeug
DE102004046922A1 (de) * 2004-09-28 2006-03-30 Daimlerchrysler Ag Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
JP4984543B2 (ja) 2005-07-21 2012-07-25 日産自動車株式会社 燃料電池システム
DE102016213153B4 (de) 2016-07-19 2018-07-12 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Kondensationssystem für eine Brennstoffzelle

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3982962A (en) * 1975-02-12 1976-09-28 United Technologies Corporation Pressurized fuel cell power plant with steam powered compressor
DE19701560A1 (de) * 1997-01-17 1998-07-30 Daimler Benz Ag Brennstoffzellensystem
DE19943059A1 (de) * 1999-09-09 2001-03-15 Daimler Chrysler Ag System zur Auskondensation einer Flüssigkeit aus einem Gasstrom

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3982962A (en) * 1975-02-12 1976-09-28 United Technologies Corporation Pressurized fuel cell power plant with steam powered compressor
DE19701560A1 (de) * 1997-01-17 1998-07-30 Daimler Benz Ag Brennstoffzellensystem
DE19943059A1 (de) * 1999-09-09 2001-03-15 Daimler Chrysler Ag System zur Auskondensation einer Flüssigkeit aus einem Gasstrom

Also Published As

Publication number Publication date
WO2003052853A3 (de) 2003-11-27
DE10152311A1 (de) 2003-05-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60112279T2 (de) Fahrzeug- temperaturregulierungssystem mit wärmepumpe
DE102005012399B4 (de) Wärmerückgewinnungssystem
EP1197258B1 (de) Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage
DE102011111742A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE10010006A1 (de) Brennstoffzellensystem
EP0333632A2 (de) Anlage zur Verdichtung von Wasserstoffgas
EP1921703B1 (de) Brennstoffzellensystem mit Einrichtung zur Kathoden-Zuluft-Vorwärmung
DE102004038633B4 (de) Brennstoffzellensystem mit Ladeluftbefeuchtung
EP2287952A1 (de) Temperiervorrichtung
EP2447096A1 (de) Wärmepumpeneinrichtung mit Enteisungsfunktion
WO2003052853A2 (de) Brennstoffzellensystem mit einer brennstoffzellenabgas-wasserrückgewinnungseinrichtung
DE102004005935B4 (de) Verfahren zum Kaltstarten eines Brennstoffzellensystems bei Minustemperaturen
WO2018055067A1 (de) Verfahren und anordnung zur wärmeenergierückgewinnung in anlagen umfassend wenigstens einen reformer
DE102016213153B4 (de) Kondensationssystem für eine Brennstoffzelle
DE602004000440T2 (de) Brennstoffzellen-Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Auftauen einer Brennstoffzelle
DE10359579B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Entfernen von Rückständen in einem Brennstoffzellensystem
AT525146A1 (de) Rezirkulationsvorrichtung für eine Rezirkulation von Anodenabgas in einem Brennstoffzellensystem
DE102018216537A1 (de) Abzweigung von Kathodenabgas in einem Brennstoffzellensystem
WO2001041240A2 (de) Brennstoffzellensystem
AT526370B1 (de) Brennstoffzellensystem zur Erzeugung elektrischer Energie
AT524304B1 (de) Verdampfervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem
AT524819B1 (de) Wärmekopplungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem
AT521650B1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben desselben
AT524203B1 (de) Speichervorrichtung für eine Speicherung von Brenngas in Form von Wasserstoff für die Nutzung in einem Brennstoffzellensystem
AT522388B1 (de) Brennstoffzellensystem mit Absorptionskältemaschine

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): CN JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE SK TR

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
122 Ep: pct application non-entry in european phase
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: JP