WO2008089930A2 - Vorrichtung zur aufbereitung von reaktionsgasen in brennstoffzellen - Google Patents

Vorrichtung zur aufbereitung von reaktionsgasen in brennstoffzellen Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system.
  • the invention relates to devices for influencing the temperatures and the moisture content of the supplied and derived reaction gases of a fuel cell.
  • Fuel cells (BZ) need to maintain a certain operating temperature range for optimal operation.
  • DE 195 48 297 C2 at least a portion of the exhaust gas of the fuel cell is returned to the gas inlet and thereby set the temperature of the recirculated exhaust gas.
  • From DE 199 23 738 C2 it is known to feed the cathode of a fuel cell with compressed air. If the air is compressed by means of a compressor, the temperature of the air increases. In a fuel cell system of this type, therefore, the cathode feed must be cooled again to a required operating temperature range.
  • FIG. 1 schematically shows the air supply in correspondingly equipped PEMFC systems (proton exchange membrane fuel cell) according to the current state of the art.
  • the fresh air (1) is first compressed in the compressor (2) and then in the intercooler (3) by means of cooling water re-cooled.
  • the air flows into the humidifier module (4), in which it absorbs water vapor from the exhaust gas of the fuel cell (6) via membranes (5).
  • the bypass (7) around the humidifier the moisture content can be regulated.
  • the air is passed into the fuel cell (6) and participates there in the electrochemical reaction.
  • any liquid water present is separated by the condensate separator (8) and the remaining waste gas is returned to the humidifier module (4), where it delivers water vapor via the membranes (5) to the fresh gas.
  • the exhaust gas in the turbine (2) is expanded and released into the environment.
  • FIG. 2 shows the scheme of such Brennstoffzellensys- tera:
  • the fresh air (1) flows to the compressor (2) to the gas-gas intercooler (3) and is precooled there by means of heat ⁇ exchanger (9) from BZ exhaust.
  • the Air in the humidifier (4) known type in which it is in turn humidified by the BZ-exhaust. Then it enters the BZ stack, participates in the electrochemical reaction and leaves it again as exhaust, which passes the above arrangement in countercurrent.
  • the invention is based on the aforementioned prior art. It is the object of the invention to develop an advanced device for recooling and humidification of the fresh air for fuel cells, which allows a compact design and efficient control.
  • Figure 4 embodiment of the steam and heat exchanger according to the invention proposes to combine the two functions 'cooling' and 'humidification' in a functional unit, wherein the known hollow fiber concept for membrane humidifiers with high specific surface area can preferably be adopted for the charge air cooler.
  • these hollow fibers consist of very temperature-resistant membrane material, preferably ceramic, and can therefore be used on the one hand to separate the material flows in the humidifier and also release water vapor to the fresh gas.
  • a method for producing such membranes is described for example in the patent DE 101 12 863 Cl.
  • the interconnection according to FIG. 3 can be realized.
  • the compressed fresh gas (1) is here passed directly into the combined humidifier / heat exchanger (10), without first to flow through a water-cooled intercooler.
  • water vapor and heat are transferred between the gases at the same time.
  • the fresh gas can be partially or completely passed through the bypass (7) to the humidifier / heat exchanger (10).
  • FIG. 4 shows an embodiment of the combined heat and mass transfer device according to the invention. Shown is a scheme for the operation of the humidification and cooling of the fuel cell fresh gas, as well as the droplet deposition, heating and drying of the fuel cell exhaust gas.
  • the bright arrows in this figure represent the flow of the fresh gas, the hatched arrows represent the flow of the exhaust gas.
  • In the lower part of Figure 4 is a side view of the device is shown.
  • the introduced hot fresh gas (11) first flows through a first flow chamber (15) and is evenly distributed on the end face (17) of a bundle (14) of hollow fiber membranes, preferably of ceramic material, from where it enters the fibers.
  • the separation of the fiber interior from the shell space (13) can be done for example by gluing the fibers at the ends in the region of the end face (17) in the fiber bundle carrier.
  • the fresh gas comes into thermal contact with the exhaust gas (18) of the fuel cell, which is guided in the jacket space (13). In this case, water vapor is transferred from the exhaust gas through the membrane to the fresh gas.
  • a heat flow flows in the direction of the exhaust gas, which leads to the evaporation of liquid water constituents in the exhaust gas flow.
  • the humidified and cooled fresh gas (19) is collected in another flow chamber (16) and leaves the humidifier.
  • the introduced exhaust (18) in turn meets in the shell space (13) across the fiber bundle (14) and is braked there.
  • a substantial separation of the liquid water components is achieved.
  • the moisture and temperature of the waste gas at the outlet (12) from the humidifier / heat exchanger (10) can be controlled.
  • the bottom of the jacket space (13) slightly lowered in the central region (21), so that the amount of liquid forming by means of valve (20) can be regulated.
  • the exhaust gas is dried by the membranes heated by the hot fresh gas (14).
  • the different gas flows can in this case in this functional unit, e.g. be controlled independently by means of control valves (not shown).
  • control valves not shown.
  • the properties of both the feed and the exhaust gases can be adjusted within wide limits to the desired operating conditions of the fuel cell.
  • the invention provides a combined and structurally compact unit for a plurality of functions for fuel cells, which previously took place in separate stages and equipment.
  • According to the invention can be dispensed with by the use of temperature-stable membranes, such as ceramic materials or heat-resistant polymers on the intercooler.
  • the fresh gas can be passed without precooling in the combined humidifier / heat exchanger and there via the membranes with the exhaust gas in thermal contact.
  • the fresh gas is humidified and cooled at the same time and the exhaust gas is dried and heated in countercurrent.
  • Non-evaporable water can be deliberately removed, eg via a bottom drain in the humidifier room.
  • the invention enables the processes heat transfer, water transport and droplet deposition space-saving in a functional unit.
  • the water-supplied intercooler after the compressor and the droplet after the fuel cell can be omitted, and the waste heat of the fresh gas cooling must not be dissipated through the vehicle radiator.
  • the exhaust gas is heated before entering the turbine, which prevents condensation in this critical area and the formation of vaporized fumes.
  • this means that a larger enthalpy gradient is available in the turbine, as a result of which the turbine output increases.
  • the combination of different functions in one device reduces the production outlay for a fuel cell system.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Betrieb von Brennstoffzellen. Die Erfindung schlägt vor, zur Temperatureinstellung und Befeuchtung der als Reaktionsmedium zugeführten Luft (1) die beiden Funktionen 'Kühlung' und 'Befeuchtung' in einer Funktionseinheit (10) zu kombinieren, wobei Membranen (5) eingesetzt sind, die aus temperaturbeständigem Material bestehen.

Description

Vorrichtung zur Aufbereitung von Reaktionsgasen in Brennstoffzellen
Die Erfindung betrifft ein BrennstoffZeilensystem. Insbesondere betrifft die Erfindung Vorrichtungen zur Beeinflussung der Temperaturen und des Feuchtigkeitsgehalts der zugeführten und abgeleiteten Reaktionsgase einer Brennstoffzelle.
Brennstoffzellen (BZ) benötigen für einen optimalen Betrieb die Einhaltung eines bestimmten Bereichs der Betriebstemperatur. Um diesen Bereich einzuhalten, wird nach dem Dokument DE 195 48 297 C2 zumindest ein Teil des Abgases der Brennstoffzelle zum Gaseinlass zurückgeführt und dabei die Temperatur des rückgeführten Abgases eingestellt. Aus der DE 199 23 738 C2 ist bekannt, die Kathode einer Brennstoffzelle mit verdichteter Luft zu speisen. Wird die Luft mittels eines Kompressors verdichtet, so erhöht sich hierbei die Temperatur der Luft. In einem Brennstoffzellensystem dieser Bauart muss daher die Kathodenzuluft wieder auf einen erforderlichen Betriebstemperaturbereich gekühlt werden.
In der Figur 1 ist schematisch die Luftversorgung in entsprechend ausgestatteten PEMFC-Systemen (Proton-Exchange- Membrane-Fuel-Cell) nach dem heutigen Stand der Technik dargestellt. Die Frischluft (1) wird zunächst im Verdichter (2) komprimiert und dann im Ladeluftkühler (3) mittels Kühlwasser rückgekühlt. Im weiteren Verlauf strömt die Luft in das Befeuchtermodul (4), in welchem sie über Membranen (5) Wasserdampf aus dem Abgas der Brennstoffzelle (6) aufnimmt. Mit dem Bypass (7) um den Befeuchter kann der Feuchtigkeitsgehalt geregelt werden. Danach wird die Luft in die Brennstoffzelle (6) geleitet und nimmt dort an der elektrochemischen Reaktion teil. Aus dem Abgasstrom nach der Reaktion im Stack wird durch den Kondensatabscheider (8) eventuell vorhandenes Flüssigwasser abgeschieden und das verbleibende Abgas wieder dem Befeuchtermodul (4) zugeführt, wo es über die Membranen (5) Wasserdampf an das Frischgas abgibt. Nach dem Befeuchtermodul (4) wird das Abgas in der Turbine (2) entspannt und in die Umgebung entlassen.
Nachteilig an dieser Anordnung sind die Notwendigkeit der Kühlwasserversorgung des Ladeluftkühlers (3) und die weitere Wärmeabfuhr über den Fahrzeugkühler. Zudem verlässt das Abgas den Befeuchter (4) in bestimmten Betriebssituationen mit hoher relativer Feuchte, was zu Kondensatbildung vor oder in der Turbine (2) und damit zu Schädigungen der Turbinenlager und Turbinenschaufeln, sowie zu Abdampffahnen führt.
In der Offenlegungsschrift DE 10 2004 046 922 Al, die auf die Anmelderin zurückgeht, wird eine modifizierte Anordnung zur Versorgung von Brennstoffzellen vorgeschlagen, bei der das komprimierte Frischgas durch das Abgas der Brennstoffzelle gekühlt wird. Dabei steigt im Gegenzug die Temperatur des Abgases vor der Turbine, so dass eine Kondensatbildung reduziert ist.
Figur 2 zeigt das Schema eines solchen Brennstoffzellensys- teras: Die Frischluft (1) durchströmt nach dem Verdichter (2) den Gas-Gas-Ladeluftkühler (3) und wird dort mittels Wärme¬ tauscher (9) vom BZ-Abgas vorgekühlt. Im Weiteren gelangt die Luft in den Befeuchter (4) bekannter Bauart, in welchem sie wiederum vom BZ-Abgas befeuchtet wird. Dann gelangt sie in den BZ-Stack, nimmt an der elektrochemischen Reaktion teil und verlässt diesen wieder als Abgas, das die obige Anordnung im Gegenstrom passiert.
Die Erfindung geht aus von dem vorgenannten Stand der Technik. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine weiterentwickelte Vorrichtung zur Rückkühlung und Befeuchtung der Frischluft für Brennstoffzellen zu entwickeln, die eine kompakte Bauweise und effiziente Regelung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Weitere Details und vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren und den darin angegebenen Bezugszeichen näher erläutert.
Dabei zeigt:
Figur 1 Schema des aktuellen Luftversorgungsstranges im PEMFC-System
Figur 2 Schema des Luftversorgungsstranges mit Ladeluftkühlung durch BZ-Abgas
Figur 3 Schema eines erfindungsgemäßen kombinierten Wasserdampf- und Wärmeübertragers
Figur 4 Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserdampf- und Wärmeübertragers Die Erfindung schlägt vor, die beiden Funktionen , Kühlung' und , Befeuchtung' in einer Funktionseinheit zu kombinieren, wobei für den Ladeluftkühler vorzugsweise das bekannte Hohlfaserkonzept für Membranbefeuchter mit hoher spezifischer O- berflache übernommen werden kann. Diese Hohlfasern bestehen erfindungsgemäß dabei aus sehr temperaturbeständigem Membran- material, vorzugsweise Keramik, und können damit einerseits zur Trennung der Stoffströme im Befeuchter eingesetzt werden und ebenfalls Wasserdampf an das Frischgas abgeben. Ein Verfahren zur Herstellung derartiger Membranen ist beispielsweise beschrieben in der Patentschrift DE 101 12 863 Cl.
Durch den Einsatz von hochtemperaturfesten Membranen, beispielsweise aus Zeolith, Siliziumoxid, Aluminiumoxid oder auch temperaturstabilen Polymermembranen kann die Verschal- tung nach Figur 3 realisiert werden. Das komprimierte Frischgas (1) wird hier direkt in den kombinierten Befeuchter- /Wärmetauscher (10) geleitet, ohne vorher durch einen wassergekühlten Ladeluftkühler zu strömen. In der kombinierten Einheit (10) wird zwischen den Gasen zugleich Wasserdampf und Wärme übertragen. Zur Regelung des Feuchtigkeitsgehalts und der Temperatur kann das Frischgas teilweise oder gänzlich durch den Bypass (7) um den Befeuchter/Wärmetauscher (10) geleitet werden.
Durch die Wärmeübertragung vom Frischgas an das Abgas ist es auch möglich auf den Kondensatabscheider nach dem Brennstoffzellenstack (6) zu verzichten und das Flüssigwasser stattdessen mit dem Abgas direkt in den Befeuchter/Wärmetauscher (10) zu leiten. Im Befeuchtungsabschnitt des Kombinationsmoduls (10) verdampft das flüssig eintretende Wasser und erhält damit den Wasserdampfpartialdruck über den Strömungsweg auf ho- hem Niveau und die Temperatur des Abgases auf niedrigem. Damit werden der Stofftransport und die Wärmeübertragung gegenüber einer Kondensatabscheidung vor dem Befeuchter verbessert. Eventuell zuviel anfallendes Kondensat (8) kann über ein Ventil im Boden des Befeuchtungsabschnitts ausgetragen werden.
Figur 4 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten Wärme- und StoffÜbertragers . Dargestellt ist ein Schema für die Funktionsweise zur Befeuchtung und Kühlung des Brennstoffzellenfrischgases, sowie zur Tropfenabscheidung, Erhitzung und Trocknung des Brennstoffzellenabgases . Die hell dargestellten Pfeile in dieser Figur repräsentieren den Fluss des Frischgases, die schraffierten Pfeile den Strömungsverlauf des Abgases. Im unteren Teil der Figur 4 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung dargestellt.
Das eingeleitete heiße Frischgas (11) durchströmt zunächst eine erste Strömungskammer (15) und wird dabei gleichmäßig auf die Stirnseite (17) eines Bündels (14) aus Hohlfasermembranen, vorzugsweise aus keramischem Material, verteilt, von wo es in die Fasern eintritt. Die Trennung des Faserinnenraumes vom Mantelraum (13) kann beispielsweise durch Einkleben der Fasern an den Enden im Bereich der Stirnseite (17) in den Faserbündelträger erfolgen. Beim Durchströmen der Fasern tritt das Frischgas in thermischen Kontakt mit dem Abgas (18) der Brennstoffzelle, welches im Mantelraum (13) geführt wird. Dabei wird Wasserdampf aus dem Abgas durch die Membran hindurch an das Frischgas übertragen. In Richtung Abgas fließt ein Wärmestrom, was zum Verdampfen von Flüssigwasserbestandteilen im Abgasstrom führt. Am Ende des Faserbündels wird das befeuchtete und gekühlte Frischgas (19) in einer weiteren Strömungskammer (16) gesammelt und verlässt den Befeuchter. Das eingeleitet Abgas (18) trifft seinerseits im Mantelraum (13) quer auf das Faserbündel (14) und wird dort abgebremst. Dabei wird eine weitgehende Abscheidung der Flüssigwasserbestandteile erreicht. Über das sich dabei bildende Kondensat am Boden des Mantelraums (13) kann die Feuchte und Temperatur des Abgases beim Austritt (12) aus dem Befeuchter/Wärmetauscher (10) kontrolliert werden. Dazu ist in diesem Ausführungsbeispiel der Boden des Mantelraums (13) im mittleren Bereich (21) leicht abgesenkt, so dass die sich bildende Flüssigkeitsmenge mittels Ventil (20) reguliert werden kann. Am Ende der mäanderförmigen Durchströmung durch den Mantelraum (13) wird das Abgas durch die vom heißen Frischgas erwärmten Membranen (14) getrocknet.
Die unterschiedlichen Gasströme können dabei in dieser Funktionseinheit z.B. mittels Regelklappen (nicht dargestellt) unabhängig voneinander geregelt werden. Über derartige Regelvorgänge können die Eigenschaften sowohl der Zufuhr- als auch der Abgase in weiten Grenzen an die gewünschten Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle angepasst werden.
Durch die Erfindung wird für Brennstoffzellen eine kombinierte und baulich kompakte Einheit für mehrere Funktionen bereitgestellt, die bisher in getrennten Stufen und Gerätschaften erfolgten. Erfindungsgemäß kann durch den Einsatz von temperaturstabilen Membranen, aus beispielsweise keramischen Materialien oder auch temperaturfesten Polymeren, auf den Ladeluftkühler verzichtet werden. Das Frischgas kann ohne Vorkühlung in den kombinierten Befeuchter/Wärmetauscher geleitet werden und dort über die Membranen mit dem Abgas in thermischen Kontakt treten. Dabei wird das Frischgas zugleich befeuchtet und gekühlt und das Abgas im Gegenstrom getrocknet und erhitzt. Weiterhin kann bei entsprechender Ausführungsform auf einen separaten Kondensatabscheider nach der Brennstoffzelle verzichtet werden und stattdessen das Flüssigwas- ser im Abgasstrom in der erfindungsgemäßen Austauscheinheit (10) nun mit der vom Frischgas hier verfügbaren Energie verdampft werden. Nicht verdampfbares Wasser kann gezielt, z.B. über einen Bodenablass im Befeuchterraum, abgeführt werden. Die Erfindung ermöglicht die Vorgänge Wärmeübertragung, Wassertransport und Tropfenabscheidung Platz sparend in einer Funktionseinheit. Dadurch können der wasserversorgte Ladeluftkühler nach dem Verdichter und der Tropfenabscheider nach der Brennstoffzelle entfallen, auch muss die Abwärme der Frischgaskühlung nicht über den Fahrzeugkühler abgeführt werden. Das Abgas wird vor Eintritt in die Turbine erhitzt, wodurch in diesem kritischen Bereich die Kondenswasserbildung und die Abdampffahnenbildung vermieden wird. Weiterhin steht dadurch in der Turbine ein größeres Enthalpiegefälle zur Verfügung, wodurch die Turbinenleistung steigt. Generell ist durch die Kombination verschiedener Funktionen in einer Vorrichtung der Herstellungsaufwand für ein Brennstoffzellensys- tem reduziert.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem zur Regulierung von Temperatur und Feuchtigkeitsgehalt der über einen Verdichter (2) zugeführten Frischluft (1) und der von der Brennstoffzelle (6) abgeführten Reaktionsgase (18), wobei zur Kühlung und Befeuchtung der komprimierten Frischluft (11) die Abluft (18) der Brennstoffzelle (6) durch Rückführung über Membranen (5) eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung und Befeuchtung Membranbündel (14) in einer Funktionseinheit (10) angebracht sind, wobei die Funktionseinheit (10) zum einen Strömungskammern (15, 16) aufweist, über die die komprimierte Frischluft (11) in Kontakt zu dem Membranbündel (14) in Richtung Brennstoffzelle (6) geführt wird, und zum anderen ein Mantelvolumen (13), durch das das Abgas (18) der Brennstoffzelle (6) im Gegenstrom durch die Funktionseinheit (10) über das Membranbündel (14) geführt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen des Membranbündels (14) aus hochtemperaturfestem Material, vorzugsweise Keramik bestehen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen des Membranbündels (14) als Hohlfasermembranen ausgebildet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheit (10) Mittel (20, 21) zur Regulierung von Kondensat im Mantelvolumen (13) aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelvolumen (13) so aufgeteilt ist, dass das Abgas (18) der Brennstoffzelle (6) mäanderförmig über das Membranbündel (14) geführt wird.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Regulierung der Gasflüsse, vorzugsweise in Form eines Bypasses (7), vorhanden sind.
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