WO2013026514A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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WO2013026514A1
WO2013026514A1 PCT/EP2012/003092 EP2012003092W WO2013026514A1 WO 2013026514 A1 WO2013026514 A1 WO 2013026514A1 EP 2012003092 W EP2012003092 W EP 2012003092W WO 2013026514 A1 WO2013026514 A1 WO 2013026514A1
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cell system
water separator
air flow
integrated
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PCT/EP2012/003092
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Markus HANDGRÄTINGER
Armin MÜTSCHELE
Holger Richter
Miriam RUNDE
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Daimler Ag
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Publication date
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the fuel cell system The fuel cell system
  • the invention relates to a fuel cell system with at least one fuel cell and a humidifier according to the closer defined in the preamble of claim 1.
  • Fuel cell systems are known from the general state of the art. For example, they may be formed based on a PEM fuel cell and may generate electrical power from hydrogen or a hydrogen-containing gas, as well as atmospheric oxygen. This electrical power can then be used for different fuel cells.
  • a preferred application of such fuel cell systems is their use in vehicles for generating electric drive power.
  • Such fuel cell systems typically now include humidifiers that generally humidify a supply airflow to a cathode compartment of the fuel cell so as not to dehydrate the relatively sensitive membranes of the PEM fuel cell and ensure its long-term functionality.
  • a humidifier is described in DE 101 10 419 A1.
  • the system also has a water separator, through which water can be collected and injected into the supply air stream as auxiliary humidification.
  • DE 10 2008 005 649 A1 shows a structure in which a
  • Product water is produced. This must be derived from the system to ensure the gas supply and thus the functionality of the fuel cell. This water can be used in addition to the humidification of the supply air through the humidifier described above. Now it is particularly in so-called freeze starts, so a start of the fuel cell system at temperatures below freezing, and associated with the warming up of the fuel cell system with considerable equipment expense, to avoid possible blockages by liquid water, especially in frozen form.
  • the structure typically comprises an electrical heating, for example, of drainage lines after water separators and / or of valves arranged in these lines. In addition to the considerable energy expenditure causes the structure and the required for this
  • Fuel cell systems which are to be used in vehicles for providing electric drive power, this is a significant disadvantage. But since these systems are often turned off under temperature conditions in which a freeze of the system is possible until restarting, this apparatus design is unavoidable so far.
  • the object of the present invention is now to precisely avoid or greatly simplify this apparatus design and thereby provide a cost-effective and energy-efficient fuel cell system.
  • the moistening device for moistening the supply air flow through the moisture contained in the exhaust air flow an anode water, which of exhaust from the Anode space of the fuel cell is flowed through, integrated.
  • This integration of the anode water separator into the humidifying device, which is otherwise flowed through by cathode-side volume flows, allows advantages in terms of installation space and weight.
  • a simple integrated construction is made possible, in which water separated in the anode water separator can be simply diverted into one of the gas streams from or to the cathode chamber of the fuel cell, since these are the integrated ones
  • Moistening device also flow through. On additional lines for such water, which would have to be designed according heated and / or isolated, can be dispensed with.
  • Cathode water for the exhaust air flow is integrated into the humidifier.
  • a cathode water separator can be particularly advantageous if the exhaust air stream passes after the moistening device, for example in a turbine or an expander, where typically no droplets should arrive, as these could easily damage a very high-speed turbine, for example.
  • the cathode water separator can thus according to this useful and advantageous embodiment in addition to the
  • Anodenwasserabscheider be integrated into the humidifier formed.
  • elaborate for example, electrically heated and / or insulated pipes for water drainage.
  • connection of the anode water to the cathode water separator possible, so that, for example, the water can be discharged via a single common discharge from the fuel cell system.
  • a further advantageous embodiment of the fuel cell system according to the invention provides that at least one of a cooling medium of a cooling circuit of the fuel cell flow-through heat exchanger is formed integrated into the humidifier.
  • a heat exchanger or, for example, two heat exchangers flowed through in parallel to one another which are assigned to the actual humidifier and / or the water separators according to the embodiment described above If necessary, they allow fast heating and fast thawing of the humidifier, for example, during a freeze start.
  • the anode water separator and optionally the cathode water separator and the actual humidifier can be thawed quickly and brought to operating temperature. Electric heaters can be dispensed with accordingly.
  • Anodewasserabscheider is switchably connected via at least one valve device with one or more components of the cathode side.
  • Valve means between the anode water separator and a component of the cathode side, such as a cathode water separator, if present, provides a very simple and efficient way of draining water within the humidifier and optionally venting gas from anode recirculation to the region of the supply air flow or of
  • the structure is highly integrated and very compact. It can dispense with pipes which must be insulated and possibly heated.
  • Anodebergabscheider is switchably connected via at least two valve devices with one or more components of the cathode side, wherein one of the valve means branches off in the Anodeniganabscheider so that flows primarily through this a liquid volume flow, and that the other of the valve means branches off in the Anodeniganabscheider that over this primarily a gaseous one
  • Such a design with two valve devices in different regions of the anode water separator can divide the delivery of liquid and gas, which typically contains residual hydrogen and inert gases, which may have accumulated in an anode circuit, in the humidifier.
  • the water can be added to another component of the cathode side than the gas.
  • the water can pass into an exhaust air stream or a cathode water separator while the gas For example, gets into a supply air to the fuel cell to make any residual hydrogen harmless to the catalysts of the cathode compartment.
  • the fuel cell and the moistening device are integrally formed into a structural unit, so that water from the Anodeniganabscheider with open valve device due to
  • Gravity can flow into the cathode compartment of the fuel cell.
  • Such a construction can introduce water and gas into the cathode compartment of the fuel cell without the need for cables, since the humidifier and the fuel cell are integrated with each other in this advantageous development of the fuel cell system.
  • the moistening device is arranged in the direction of gravity above the fuel cell such that a valve device for emptying the anode water separator at least introduces the water and possibly the gas into the region of the cathode chamber of the fuel cell.
  • a valve device for emptying the anode water separator at least introduces the water and possibly the gas into the region of the cathode chamber of the fuel cell.
  • Figure 1 is a principle indicated fuel cell system in a vehicle.
  • Fig. 2 shows a first embodiment of a humidifying device according to the invention
  • Fig. 3 shows a second embodiment of a humidifying device according to the
  • FIG. 4 shows a third embodiment of a humidifying device according to the invention
  • 5 shows a fourth embodiment of a humidifying device according to the invention
  • Fig. 6 shows a fifth embodiment of a humidifying device according to the invention
  • Fig. 7 shows a sixth embodiment of a humidifying device according to the
  • FIG. 1 a very highly schematic diagram of a fuel cell system 1 can be seen in a vehicle 2 indicated in principle.
  • This fuel cell system 1 which is known per se, will be explained in more detail below, in order subsequently to be able to explain in more detail the functionality of an integrated humidifying device 3, which is not shown explicitly in FIG.
  • the fuel cell system 1 in the representation of FIG. 1 has, as an essential component, a fuel cell 4, which is to be designed as a stack of PEM fuel cells, as a so-called fuel cell stack.
  • the fuel cell 4 comprises an anode chamber 5 and a cathode compartment 6.
  • the cathode compartment 5 is separated from the anode compartment 6 by the proton-conducting membranes 7 indicated in principle.
  • the anode chamber 5 hydrogen is supplied as fuel.
  • Hydrogen comes from a compressed gas storage 8 and passes through a valve device 9 indicated in principle, which is designed as metering and / or throttle valve, to the anode compartment 5.
  • a valve device 9 indicated in principle, which is designed as metering and / or throttle valve, to the anode compartment 5.
  • the hydrogen supplied to the anode compartment 5 is partially reacted.
  • Anode space 5 metered excess of hydrogen.
  • product water and inert gas then accumulate over time.
  • Hydrogen concentration should not fall below a critical limit, water and / or inert gases must be discharged from time to time. This takes place via the anode water separator 11 and a valve device 14 arranged therein. This valve is also referred to as a drain / purge valve.
  • the drained liquid and the discharged gas passes in the embodiment shown here via a discharge line 15 into a cathode chamber 6 of the fuel cell 4 flowing Supply air flow. Separate drainage of water (drain) and gas (purge) via two separate valves would also be conceivable.
  • the cathode compartment 6 of the fuel cell 4 is supplied with air via an air conveyor 16.
  • the compressed in the area of the air conveyor 16 supply air passes through a charge air cooler 17 and a humidifier 18 into a humidifier 19 or is partially or completely bypassed via a bypass line 20 with a bypass valve 21 to the humidifier 19. It then passes through a cathode feed line 22 into the cathode compartment 6. After the cathode compartment 6, the exhaust air flow reaches via a
  • the humidifier 19 In the humidifier 19, two regions 24, 25 for the supply air on the one hand and the exhaust air flow on the other hand formed by separated by water vapor permeable membranes 26 from each other. Through these membranes 26 thus the moisture contained in the exhaust air flow enters the supply air stream and moisturizes it.
  • the humidifier 19 is therefore also referred to as gas-gas humidifier 19. After flowing through the region 25 of the humidifier 19, the exhaust air flow reaches the region of a
  • Kathodenwasserabscheiders 27, in the region of liquid is separated from the exhaust air stream. Via a turbine feed line 28, the exhaust air stream then enters a turbine 29 and is expanded in the region of this turbine 29. As a result, at least part of the energy contained in the pressure energy and thermal energy in the region of the turbine 29 is recovered.
  • the structure may additionally comprise a burner or catalytic burner, not shown here, in order, for example, to obtain further thermal energy from hydrogen or from the residual hydrogen present in the outlet line 15, which is then also supplied to the turbine 29 and the
  • This turbine exhaust line 30 can also have a further discharge line 31 and a valve device 32 in the region of
  • Kathodenwasserabscheiders 27 deposited water are supplied.
  • the Kathodenwasserabscheider 27 serves mainly to preserve the turbine 29 from liquid droplets, so that damage to the very high-speed turbine 29 can not take place through the liquid droplets.
  • liquid droplets could freeze around the turbine 29 when it turns off of the fuel cell system 1 or the vehicle 2 comes to temperatures below freezing.
  • the turbine 29 is arranged in the embodiment shown here together with the air conveyor 16 on a shaft.
  • an electric machine 33 on this shaft.
  • This structure is also referred to as an electric turbocharger or ETC (Electric Turbo Charger).
  • ETC Electric Turbo Charger
  • the power generated in the region of the turbine 29 is typically made available to the air conveyor 16. Via the electric machine 33, the remaining power required to drive the air conveyor 16 is provided. If there is a greater power in the region of the turbine 29 than is required for the drive of the air conveyor 16, then the electric machine 33 can also be operated as a generator.
  • the fuel cell system 1 in the here indicated in principle vehicle 2 also has a cooling circuit 34.
  • the cooling circuit 34 is shown greatly simplified in the embodiment shown here. It consists essentially of a cooling heat exchanger 35 for removing excess heat to the environment, a coolant conveyor 36 and line elements for guiding the liquid cooling medium.
  • the liquid cooling medium is first passed through a fuel cell cooling line 37 through a heat exchanger 38 in the region of the fuel cell 4 in order to dissipate excess waste heat here.
  • the cooling medium then passes over
  • Conduit 39 in the already mentioned intercooler 7 to cool there after the hot air supply compressed after compression. Thereafter, the cooling medium passes back into the region of the cooling heat exchanger 35.
  • the cooling capacity can now be adjusted accordingly, for example, via the rotational speed of the coolant delivery device 36.
  • Valve devices for example, the cooling heat exchanger 35 or the charging air cooler 17 in some situations or operating phases of the fuel cell system 1 completely or partially to bypass to set the desired temperatures.
  • the intercooler 17 can additionally or alternatively be cooled by the cooling medium of the cooling circuit 34 and also through the exhaust air flow from the region 25 of the humidifier 19 before it flows out of the system. This also provides cooling power.
  • Systems with Turbine 29 are also increasing a further heating of the exhaust air flow, so that in the region of the turbine 29 more power can be recovered.
  • Humidifying device 3 shown.
  • Humidifying device 3 shows the gas-gas humidifier 19 with its two
  • bypass line 20 is located with the bypass valve 21 in the humidifier 3.
  • the anode water 11 and the Kathodenwasserabscheider 27 Mechanically with this structure of the humidifier. 3 connected part of the turbine exhaust line 30.
  • the humidifier 19 now flows, as already described above, via the
  • the anode water separator 1 1 and the cathode water separator 27 are arranged adjacent to each other. They are connected to each other in the embodiment shown here via the valve device 14, so that water and / or gas via the valve device 14 from the anode water 1 1, which it over the
  • Anodenausgang 10 has been supplied, in the range of
  • Cathode water 27 accumulated water can then be discharged via the valve device 32 into the turbine exhaust air flow, as in the illustration in Figure 1,.
  • the structure is, as can be seen in the exemplary representation of Figure 2, constructed so that the liquid water due to gravity with open valve device 14 from the anode water 1 1 in the
  • the integrated humidifying device 3 is also integrated in the cooling circuit 34 of the fuel cell system 1.
  • This incorporation into the cooling circuit 34 can be effected, for example, in the region of the line element designated 39 in FIG. This is shown in the illustration of Figure 2 as dashed line element 39.
  • About the conduit member 39 corresponding collector 40 are connected to the cooling circuit 34.
  • Between the two collectors 40 can be found in the embodiment shown here, two likewise shown in dashed lines heat exchanger 41, 42, which are flowed through parallel to each other.
  • the first heat exchanger 41 binds the humidifier 19 of the integrated humidifier 3 in the cooling circuit 34
  • the other heat exchanger 42 which is divided into two serially flowed sections, binds the two water separators 1 1, 27 of the anode or cathode in the cooling circuit 34 one.
  • This connection of the two water separators 1, 27 via the heat exchanger 42 parallel to the humidifier 19 via the heat exchanger 41 in the cooling circuit 34 of the fuel cell allows on the one hand a rapid thawing of the individual sections of the integrated humidifying device 3 in the case of Freezing starts, so the warm-up time of the humidifier 19 in particular
  • connection to the cooling water is also to the effect that a comparatively slow cooling of the integrated humidifier 3 when parking the fuel cell system 1 takes place, especially if the
  • Cooling circuit 34 is still operated. This is also due to the
  • Turbine exhaust air flow the exhaust air itself, typically together with the discharged via the valve means 14 in them residual hydrogen from the anode chamber 5 via the turbine supply line 28 to the turbine 29 to flow.
  • a burner or a catalytic burner can be arranged in the region of the turbine feed line 28. In this then residual oxygen and residual hydrogen in the gas stream flowing to the turbine 29 would be reacted together. This will be
  • the integrated humidifying device 3 can be seen in an alternative embodiment.
  • the structure corresponds largely to the structure explained in FIG. However, here is on the bypass line 20 and the
  • Bypass valve 21 has been omitted.
  • a humidification control can no longer be done through the bypass, but must be adjusted by other mechanisms - for example, the air stoichiometry.
  • the design saves space, weight and individual components.
  • Kathodenwasserabscheider 27 leads, but directly into the turbine exhaust line 30.
  • the advantage here is the possibility of the Kathodenwasserabscheider 27 significantly smaller interpreted and thereby save space.
  • the disadvantage is that not only water, but also gases from the anode recirculation via the valve device 14 in the turbine exhaust air flow and thus hydrogen emissions to the environment can arise.
  • Embodiment to recognize It essentially corresponds to a combination of the two embodiments described in FIGS. 2 and 4.
  • the valve device 14 is in turn analogous to the structure described in Figure 4 available. Here it serves primarily to discharge water from the anode water separator 11 into the turbine exhaust line 30.
  • Another valve device 43 is between the
  • Kathodenwasserabscheider 27 further space-optimized and much smaller than in the structure of Figure 2 are formed, since the water of the two separators 11, 27 is discharged separately into the turbine exhaust duct 30. Nevertheless, the discharged gas is supplied via the cathode separator 27 to the turbine 29 and typically to a catalytic burner arranged in front thereof, so that
  • the structure of the integrated humidifying device 3 is again to be understood similar to the illustration in FIG.
  • the valve device 14 does not lead from the anode water separator 11 in the region of
  • the structure is selected such that the water travels through the valve device 14 in the direction of the cathode feed line 22 due to gravity.
  • valve device 43 In the illustration of Figure 7, this structure is taken up again and supplemented by the valve device 43 already described.
  • About the designated here with 43 valve device which connects the anode water 11 with the cathode feed line 22 is now again analogous to the embodiments in Figure 5 in the Anodenwasserabscheider collected gas in the cathode feed line 22 are derived.
  • the valve device 14 is again shown as a connection between the anode water separator 11 and the cathode water separator 27 and is intended primarily to serve in the anode water separator 11
  • valve device 14 analogously to the embodiments in FIG. 5 again such that the water is introduced directly into the turbine exhaust air line 30 is, so that the cathode water 27 can be designed correspondingly smaller.
  • the integrated humidifying device 3 in the illustration according to Figure 8 has a further special feature. This consists in the integrated into the humidifier 8 intercooler 17, which is also flows through in addition to the heat exchangers 41 and 42 of the integrated humidifier 3 also from the cooling medium.
  • the intercooler 17 is connected to one of the collector 40 or integrated in this.
  • an integrated structure of the fuel cell 4 and humidifying device 3 in the manner described can also be such that only by the integrated supply line and the absence of the
  • Cathode supply 22 only gases to the cathode compartment 6 of the fuel cell 4 are promoted, while the water from the anode water 11 again passes through the valve means 14, for example, in the cathode water 27 and / or the exhaust duct 30 or directly into the exhaust air flow.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (4) und einer Befeuchtungseinrichtung (3) zum Befeuchten eines zu einem Kathodenraum (6) der Brennstoffzelle (4) strömenden Zuluftstroms, mittels eines von dem Kathodenraum (6) der Brennstoffzelle (4) abströmenden Abluftstroms, wobei der Zuluftstrom und der Abluftstrom durch für Wasserdampf durchlässige Membranen (27) voneinander getrennt sind. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Anodenwasserabscheider (11), welcher von Abgas aus einem Anodenraum (5) der Brennstoffzelle (4) durchströmt ist, in die Befeuchtungseinrichtung (3) integriert ausgebildet ist.

Description

Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle und einer Befeuchtungseinrichtung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise auf Basis einer PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein und können aus Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Gas sowie Luftsauerstoff elektrische Leistung erzeugen. Diese elektrische Leistung kann dann für verschiedene
Anwendungszwecke eingesetzt werden. Eine bevorzugte Anwendung von derartigen Brennstoffzellensystemen liegt in ihrer Verwendung in Fahrzeugen zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung.
Solche Brennstoffzellensysteme weisen nun typischerweise Befeuchter auf, über welche im Allgemeinen ein Zuluftstrom zu einem Kathodenraum der Brennstoffzelle befeuchtet wird, um die vergleichsweise empfindlichen Membranen der PEM-Brennstoffzelle nicht auszutrocknen und ihre langfristige Funktionalität sicherzustellen. Beispielhaft wird auf einen solchen Befeuchter in der DE 101 10 419 A1 eingegangen. Neben dem reinen Befeuchter weist das System hierbei auch einen Wasserabscheider auf, über welchen Wasser gesammelt und als Hilfsbefeuchtung in den Zuluftstrom eingedüst werden kann.
Ein spezieller Aufbau, welcher sich mit der konkreten Anordnung von Befeuchter und Wasserabscheider zueinander befasst, ist außerdem in der DE 10 2008 005 649 A1 beschrieben. Außerdem zeigt die DE 10 2007 003 144 A1 einen Aufbau, bei welchem eine
Funktionsintegration von Befeuchtung und Kühlung in einem einzigen Bauteil stattfindet.
Nun ist es immer so, dass während des Betriebs eines Brennstoffzellensystems
Produktwasser entsteht. Dieses muss aus dem System abgeleitet werden, um die Gasversorgung und somit die Funktionalität der Brennstoffzelle zu gewährleisten. Dieses Wasser kann durch die oben beschriebenen Befeuchter zusätzlich zur Befeuchtung der Zuluft eingesetzt werden. Nun ist es insbesondere bei sogenannten Gefrierstarts, also einem Start des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, und während der Aufwärmung des Brennstoffzellensystems mit erheblichem apparativen Aufwand verbunden, mögliche Blockaden durch Flüssigwasser, insbesondere in gefrorener Form, zu vermeiden. Der Aufbau umfasst dabei typischerweise eine elektrische Beheizung beispielsweise von Drainageleitungen nach Wasserabscheidern und/oder von in diesen Leitungen angeordneten Ventilen. Neben dem erheblichen energetischen Aufwand verursacht der Aufbau sowie die hierfür erforderliche
Ansteuerung zusätzliche Kosten und erhöht die Komplexität und damit die
Fehleranfälligkeit des Brennstoffzellensystems. Insbesondere bei
Brennstoffzellensystemen, welche in Fahrzeugen zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt werden sollen, ist dies ein erheblicher Nachteil. Da aber gerade diese Systeme häufig bei Temperaturbedingungen abgestellt werden, in denen ein Einfrieren des Systems bis zum Wiederstart möglich ist, ist dieser apparative Aufbau bisher nicht zu vermeiden.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eben diesen apparativen Aufbau zu vermeiden oder stark zu vereinfachen und dadurch ein kostengünstiges und energieeffizientes Brennstoffzellensystem bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den
Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen hiervon ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es vorgesehen, dass die Befeuchtungseinrichtung zum Befeuchten des Zuluftstroms durch die im Abluftstrom enthaltene Feuchtigkeit einen Anodenwasserabscheider, welcher von Abgas aus dem Anodenraum der Brennstoffzelle durchströmt ist, integriert aufweist. Diese Integration des Anodenwasserabscheiders in die ansonsten von kathodenseitigen Volumenströmen durchströmte Befeuchtungseinrichtung ermöglicht Vorteile hinsichtlich des Bauraums und des Gewichts. Außerdem wird bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ein einfacher integrierter Aufbau ermöglicht, bei welchem im Anodenwasserabscheider abgeschiedenes Wasser einfach in einen der Gasströme von oder zu dem Kathodenraum der Brennstoffzelle abgeleitet werden kann, da diese die integrierte
Befeuchtungseinrichtung ebenfalls durchströmen. Auf zusätzliche Leitungen für solches Wasser, welche entsprechend beheizt und/oder isoliert ausgebildet werden müssten, kann verzichtet werden.
In einer weiteren besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es ferner vorgesehen, dass ein
Kathodenwasserabscheider für den Abluftstrom in die Befeuchtungseinrichtung integriert ausgebildet ist. Ein solcher Kathodenwasserabscheider kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn der Abluftstrom nach der Befeuchtungseinrichtung beispielsweise in eine Turbine oder einen Expander gelangt, wo typischerweise keine Tröpfchen ankommen sollten, da diese beispielsweise eine sehr schnelllaufende Turbine leicht beschädigen könnten. Außerdem könnten sie im Falle eines Gefrierens, während das System abgestellt ist, zu einer Blockade des Expanders beziehungsweise der Turbine führen, was den Wiederstart deutlich verlangsamt. Der Kathodenwasserabscheider kann also gemäß dieser sinnvollen und vorteilhaften Ausgestaltung zusätzlich zu dem
Anodenwasserabscheider in die Befeuchtungseinrichtung integriert ausgebildet werden. Auch hier kann dann auf aufwändige beispielsweise elektrisch zu beheizende und/oder zu isolierende Leitungen zur Wasserableitung verzichtet werden. Außerdem ist eine
Anbindung des Anodenwasserabscheiders an den Kathodenwasserabscheider möglich, sodass beispielsweise das Wasser über eine einzige gemeinsame Ableitung aus dem Brennstoffzellensystem abgelassen werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sieht es vor, dass wenigstens ein von einem Kühlmedium eines Kühlkreislaufs der Brennstoffzelle durchströmter Wärmetauscher in die Befeuchtungseinrichtung integriert ausgebildet ist. Ein solcher Wärmetauscher oder beispielsweise auch zwei parallel zueinander durchströmte Wärmetauscher, welche dem eigentlichen Befeuchter und dem oder gemäß der oben beschriebenen Ausgestaltung den Wasserabscheidern zugeordnet sind, ermöglichen bei Bedarf ein schnelles Aufheizen und ein schnelles Auftauen der Befeuchtungseinrichtung zum Beispiel während eines Gefrierstarts. So können der Anodenwasserabscheider und gegebenenfalls der Kathodenwasserabscheider sowie der eigentliche Befeuchter schnell aufgetaut und auf Betriebstemperatur gebracht werden. Auf elektrische Heizer kann dementsprechend verzichtet werden. Außerdem ist es möglich, über die Anbindung am Kühlkreislauf das Abkühlen der Befeuchtungseinrichtung hinauszuzögern, sodass diese sehr lange in der Lage ist, abgeschiedenes Wasser an die Umgebung des Brennstoffzellensystems abzuleiten.
In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es dabei vorgesehen sein, dass der
Anodenwasserabscheider über wenigstens eine Ventileinrichtung mit einer oder mehreren Komponenten der Kathodenseite schaltbar verbunden ist. Eine solche
Ventileinrichtung zwischen dem Anodenwasserabscheider und einer Komponente der Kathodenseite, beispielsweise einem Kathodenwasserabscheider, sofern dieser vorhanden ist, stellt einen sehr einfachen und effizienten Weg dar, um innerhalb der Befeuchtungseinrichtung ein Ablassen von Wasser sowie gegebenenfalls das Ablassen von Gas aus einer Anodenrezirkulation in den Bereich des Zuluftstroms oder des
Abluftstroms auf der Kathodenseite zu realisieren. Der Aufbau ist hoch integriert und sehr kompakt. Er kann auf Leitungen, welche isoliert und gegebenenfalls beheizt werden müssen, verzichten.
In einer sehr günstigen Weiterbildung hiervon ist es ferner vorgesehen, dass der
Anodenwasserabscheider über wenigstens zwei Ventileinrichtungen mit einer oder mehreren Komponenten der Kathodenseite schaltbar verbunden ist, wobei eine der Ventileinrichtungen so in dem Anodenwasserabscheider abzweigt, dass über diese primär ein flüssiger Volumenstrom strömt, und dass die andere der Ventileinrichtungen so in dem Anodenwasserabscheider abzweigt, dass über diese primär ein gasförmiger
Volumenstrom strömt. Durch eine solche Ausbildung mit zwei Ventileinrichtungen in unterschiedlichen Bereichen des Anodenwasserabscheiders kann ein Aufteilen der Abgabe von Flüssigkeit und Gas, welches typischerweise Restwasserstoff und inerte Gase aufweist, welche sich in einem Anodenkreislauf angesammelt haben können, in der Befeuchtungseinrichtung erfolgen. So kann das Wasser einer anderen Komponente der Kathodenseite zudosiert werden als das Gas. Beispielsweise kann das Wasser in einen Abluftstrom oder einen Kathodenwasserabscheider gelangen, während das Gas beispielsweise in einen Zuluftstrom zu der Brennstoffzelle gelangt, um eventuellen Restwasserstoff an den Katalysatoren des Kathodenraums unschädlich zu machen.
In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es ferner vorgesehen, dass die Brennstoffzelle und die Befeuchtungseinrichtung zu einer Baueinheit integriert ausgebildet sind, sodass Wasser aus dem Anodenwasserabscheider bei geöffneter Ventileinrichtung aufgrund der
Schwerkraft in den Kathodenraum der Brennstoffzelle fließen kann. Ein solcher Aufbau kann Wasser und Gas in den Kathodenraum der Brennstoffzelle einleiten, ohne dass hierfür Leitungen notenwendig sind, da Befeuchtungseinrichtung und Brennstoffzelle bei dieser vorteilhaften Weiterbildung des Brennstoffzellensystems integriert miteinander ausgebildet sind. Die Befeuchtungseinrichtung ist dabei in Richtung der Schwerkraft oberhalb der Brennstoffzelle so angeordnet, dass eine Ventileinrichtung zum Entleeren des Anodenwasserabscheiders zumindest das Wasser sowie gegebenenfalls das Gas in den Bereich des Kathodenraums der Brennstoffzelle einleitet. Auch hier sind dann keine Beheizungen oder Isolationen notwendig, da auf die Komponenten miteinander verbindende Leitungselemente weitgehend verzichtet werden kann.
Weitere Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen. Außerdem werden diese anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgernd unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug;
Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer Befeuchtungseinrichtung gemäß der Erfindung; Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer Befeuchtungseinrichtung gemäß der
Erfindung;
Fig. 4 eine dritte Ausführungsform einer Befeuchtungseinrichtung gemäß der Erfindung; Fig. 5 eine vierte Ausführungsform einer Befeuchtungseinrichtung gemäß der Erfindung; Fig. 6 eine fünfte Ausführungsform einer Befeuchtungseinrichtung gemäß der Erfindung; Fig. 7 eine sechste Ausführungsform einer Befeuchtungseinrichtung gemäß der
Erfindung;
Fig. 8 eine siebte Ausführungsform einer Befeuchtungseinrichtung gemäß der Erfindung; und Fig. 9 eine mögliche Ausführungsform der Befeuchtungseinrichtung mit der
Brennstoffzelle integriert.
In der Darstellung der Figur 1 ist, sehr stark schematisiert, ein Brennstoffzellensystem 1 in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug 2 zu erkennen. Dieses an sich bekannte Brennstoffzellensystem 1 soll nachfolgend näher erläutert werden, um im Anschluss daran dann die Funktionalität einer integrierten Befeuchtungseinrichtung 3, welche in der Darstellung der Figur 1 so nicht explizit dargestellt ist, näher erläutern zu können.
Das Brennstoffzellensystem 1 in der Darstellung der Figur 1 weist als wesentliche Komponente eine Brennstoffzelle 4 auf, welche als Stapel von PEM-Brennstoffzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, ausgebildet sein soll. Die Brennstoffzelle 4 umfasst dabei einen Anodenraum 5 sowie einen Kathodenraum 6. Der Kathodenraum 5 ist vom Anodenraum 6 durch die prinzipmäßig angedeuteten protonenleitenden Membranen 7 getrennt. Dem Anodenraum 5 wird Wasserstoff als Brennstoff zugeführt. Dieser
Wasserstoff stammt aus einem Druckgasspeicher 8 und gelangt über eine prinzipmäßig angedeutete Ventileinrichtung 9, welche als Dosier- und/oder Drosselventil ausgebildet ist, zu dem Anodenraum 5. In dem Anodenraum 5 wird der dem Anodenraum 5 zugeführte Wasserstoff zum Teil umgesetzt. Restwasserstoff gelangt zusammen mit im Bereich des Anodenraums 5 entstehendem Produktwasser und durch die Membranen 7 in den Anodenraum diffundierten inerten Gasen, insbesondere Stickstoff, über einen Anodenausgang 10 zu einem Anodenwasserabscheider 1 1 und von dort über eine Rezirkulationsleitung 12 zu einer Rezirkulationsfördereinrichtung 13, welche den
Restwasserstoff und die inerten Gase in dem Abgas zusammen mit frischem Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 8 dem Anodenraum 5 erneut zuführt. Dieser auch als Anodenrezirkulation bekannte Aufbau ermöglicht die ideale Ausnutzung der im
Anodenraum 5 zur Verfügung stehenden aktiven Fläche aufgrund des in den
Anodenraum 5 dosierten Wasserstoffüberschusses. In der Anodenrezirkulation reichert sich dann mit der Zeit Produktwasser und inertes Gas an. Um die
Wasserstoffkonzentration nicht unter einen kritischen Grenzwert abfallen zu lassen, müssen Wasser und/oder inerte Gase von Zeit zu Zeit abgelassen werden. Dies erfolgt über den Anodenwasserabscheider 1 1 und eine darin angeordnete Ventileinrichtung 14. Dieses Ventil wird auch als Drain/Purge-Ventil bezeichnet. Die abgelassene Flüssigkeit und das abgelassene Gas gelangt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Ablassleitung 15 in einen zum Kathodenraum 6 der Brennstoffzelle 4 strömenden Zuluftstrom. Ein getrenntes Ablassen von Wasser (Drain) und Gas (Purge) über zwei getrennte Ventile wäre ebenfalls denkbar.
Dem Kathodenraum 6 der Brennstoffzelle 4 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 16 zugeführt. Die im Bereich der Luftfördereinrichtung 16 verdichtete Zuluft gelangt über einen Ladeluftkühler 17 und eine Befeuchterzuleitung 18 in einen Befeuchter 19 oder wird teilweise oder ganz über eine Bypassleitung 20 mit einem Bypassventil 21 um den Befeuchter 19 herumgeleitet. Sie gelangt dann über eine Kathodenzuleitung 22 in den Kathodenraum 6. Nach dem Kathodenraum 6 gelangt der Abluftstrom über eine
Kathodenableitung 23 wiederum in den Bereich des Befeuchters 19. In dem Befeuchter 19 sind zwei Bereiche 24, 25 für den Zuluftstrom einerseits und den Abluftstrom andererseits durch für Wasserdampf durchlässige Membranen 26 voneinander getrennt ausgebildet. Durch diese Membranen 26 gelangt somit die in dem Abluftstrom enthaltene Feuchtigkeit in den Zuluftstrom und befeuchtet diesen. Der Befeuchter 19 wird deshalb auch als Gas-Gas-Befeuchter 19 bezeichnet. Nach dem Durchströmen des Bereichs 25 des Befeuchters 19 gelangt der Abluftstrom in den Bereich eines
Kathodenwasserabscheiders 27, in dessen Bereich Flüssigkeit aus dem Abluftstrom abgeschieden wird. Über eine Turbinenzuleitung 28 gelangt der Abluftstrom dann in eine Turbine 29 und wird im Bereich dieser Turbine 29 entspannt. Dadurch wird zumindest ein Teil der in im enthaltenen Druckenergie und thermischen Energie im Bereich der Turbine 29 zurückgewonnen. Der Aufbau kann zusätzlich einen hier nicht dargestellten Brenner oder katalytischen Brenner aufweisen, um beispielsweise aus Wasserstoff oder aus dem in der Ablassleitung 15 vorhanden Restwasserstoff weitere thermische Energie zu gewinnen, welche dann ebenfalls der Turbine 29 zugeführt wird und der
Energierückgewinnung aus dem Brennstoffzellensystem 1 dient.
Nach der Turbine 29 gelangt der Turbinenabluftstrom über eine Turbinenabluftleitung 30 in die Umgebung. Dieser Turbinenabluftleitung 30 kann außerdem über eine weitere Ablassleitung 31 und eine Ventileinrichtung 32 im Bereich des
Kathodenwasserabscheiders 27 abgeschiedenes Wasser zugeführt werden. Der Kathodenwasserabscheider 27 dient dabei schwerpunktmäßig dazu, die Turbine 29 vor flüssigen Tröpfchen zu bewahren, sodass eine Beschädigung der sehr schnelllaufenden Turbine 29 durch die flüssigen Tröpfchen nicht stattfinden kann. Außerdem könnten flüssige Tröpfchen im Bereich der Turbine 29 festfrieren, wenn es nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 beziehungsweise des Fahrzeugs 2 zu Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts kommt.
Die Turbine 29 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zusammen mit der Luftfördereinrichtung 16 auf einer Welle angeordnet. Zusätzlich befindet sich auf dieser Welle eine elektrische Maschine 33. Dieser Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader oder ETC (Electric Turbo Charger) bezeichnet. Die im Bereich der Turbine 29 anfallende Leistung wird typischerweise der Luftfördereinrichtung 16 zur Verfügung gestellt. Über die elektrische Maschine 33 wird die restliche zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 16 benötigte Leistung bereitgestellt. Kommt es im Bereich der Turbine 29 zu einer größeren Leistung, als für den Antrieb der Luftfördereinrichtung 16 benötigt wird, dann kann die elektrische Maschine 33 auch generatorisch betrieben werden.
Das Brennstoffzellensystem 1 in dem hier prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug 2 weist außerdem einen Kühlkreislauf 34 auf. Der Kühlkreislauf 34 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel stark vereinfacht dargestellt. Er besteht im Wesentlichen aus einem Kühlwärmetauscher 35 zur Abfuhr von überschüssiger Wärme an die Umgebung, einer Kühlmittelfördereinrichtung 36 sowie Leitungselementen zum Führen des flüssigen Kühlmediums. Das flüssige Kühlmedium wird über eine Brennstoffzellenkühlleitung 37 zuerst durch einen Wärmetauscher 38 im Bereich der Brennstoffzelle 4 geführt, um hier überschüssige Abwärme abzuführen. Das Kühlmedium gelangt dann über ein
Leitungselement 39 in den bereits erwähnten Ladeluftkühler 7, um dort den nach dem Verdichten heißen Zuluftstrom abzukühlen. Danach gelangt das Kühlmedium zurück in den Bereich des Kühlwärmetauschers 35. Die Kühlleistung lässt sich nun beispielsweise über die Drehzahl der Kühlmittelfördereinrichtung 36 entsprechend einstellen.
Selbstverständlich wäre es auch denkbar, über geeignete Bypassleitungen und
Ventileinrichtungen beispielsweise den Kühlwärmetauscher 35 oder den Ladluftkühler 17 in einzelnen Situation beziehungsweise Betriebsphasen des Brennstoffzellensystems 1 ganz oder teilweise zu umgehen, um die gewünschten Temperaturen einzustellen.
Der Ladeluftkühler 17 kann ergänzend oder alternativ zur Kühlung durch das Kühlmedium des Kühlkreislaufs 34 auch durch den Abluftstrom aus dem Bereich 25 des Befeuchters 19 durchströmt werden, bevor dieser aus dem System abströmt. Dadurch lässt sich ebenfalls Kühlleistung bereitstellen. Bei Systemen mit Turbine 29 kommt es außerdem zu einer weiteren Erwärmung des Abluftstroms, sodass im Bereich der Turbine 29 mehr Leistung zurückgewonnen werden kann.
Der hier beschriebene Aufbau ist soweit aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Nun ist es so, dass während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 Produktwasser entsteht, welches anodenseitig und kathodenseitig in den Gasströmen in Form von Dampf und Flüssigwasser vorliegt. Um bei einem Abstellen des
Brennstoffzellensystems 1 in dem Fahrzeug 2 bei Temperaturen unterhalb des
Gefrierpunkts ein Einfrieren zu verhindern beziehungsweise möglichst lange
hinauszuzögern, sind aufwändige Isolationen und/oder Beheizungen, beispielsweise elektrisch beheizte Leitungselemente oder dergleichen, insbesondere im Bereich des Befeuchters 19 und des Anodenwasserabscheiders 11 beziehungsweise des
Kathodenwasserabscheiders 27 notwendig. Um diesen apparativen Aufbau zu reduzieren, wird nachfolgend die bereits angesprochene Befeuchtungseinrichtung 3 vorgeschlagen, welche je nach Ausführungsform zahlreiche Funktionalitäten in einem einzigen integrieren Bauteil zusammenfasst.
In der Darstellung der Figur 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer solchen
Befeuchtungseinrichtung 3 dargestellt. Die schematische Darstellung der
Befeuchtungseinrichtung 3 zeigt den Gas-Gas-Befeuchter 19 mit seinen beiden
Bereichen 24, 25 und den dazwischen angeordneten Membranen 26. Außerdem befindet sich die Bypassleitung 20 mit dem Bypassventil 21 in der Befeuchtungseinrichtung 3. Unterhalb des Bereichs 25 des Befeuchters 19 findet sich der Anodenwasserabscheider 11 sowie der Kathodenwasserabscheider 27. Mechanisch mit diesem Aufbau der Befeuchtungseinrichtung 3 verbunden ist ein Teil der Turbinenabluftleitung 30. Dem Befeuchter 19 strömt nun, wie es oben bereits beschrieben wurde, über die
Befeuchtungszuleitung 18 der trockene Gasstrom zu und wird befeuchtet über die Kathodenzuleitung 22 dem Kathodenraum 6 zugeführt. Als Feuchtelieferant gelangt über die Kathodenableitung 23 der feuchte Abluftstrom aus dem Kathodenraum 6 in die integrierte Befeuchtungseinrichtung 3. Nach dem Durchströmen des Bereichs 25 des Befeuchters 19 gelangt der Abluftstrom in den Kathodenwasserabscheider 27 und der von flüssigem Wasser befreite Abluftstrom kann dann durch die Turbinenzuleitung 28 zu der hier nicht dargestellten Turbine 29 strömen. Der Turbinenabluftstrom gelangt über die Turbinenabluftleitung 30, welche hier teilweise mechanisch an die integrierte Befeuchtungseinrichtung 3 angebunden beziehungsweise in diese integriert ausgeführt ist, an die Umgebung.
Der Anodenwasserabscheider 1 1 und der Kathodenwasserabscheider 27 sind benachbart zueinander angeordnet. Sie sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über die Ventileinrichtung 14 miteinander verbunden, sodass Wasser und/oder Gas über die Ventileinrichtung 14 aus dem Anodenwasserabscheider 1 1 , welchem es über den
Anodenausgang 10 zugeführt worden ist, in den Bereich des
Kathodenwasserabscheiders 27 abgelassen werden kann. In dem
Kathodenwasserabscheider 27 angesammeltes Wasser kann, dann vergleichbar wie bei der Darstellung in Figur 1 , über die Ventileinrichtung 32 in den Turbinenabluftstrom abgelassen werden. Der Aufbau ist dabei, wie in der beispielhaften Darstellung der Figur 2 zu erkennen ist, so aufgebaut, dass das flüssige Wasser aufgrund der Schwerkraft bei geöffneter Ventileinrichtung 14 aus dem Anodenwasserabscheider 1 1 in den
Kathodenwasserabscheider 27 und von dort bei geöffneter Ventileinrichtung 32 in den Turbinenabluftstrom in der Turbinenabluftleitung 30 strömt. Durch den integrierten Aufbau kann auf Leitungselemente zwischen den einzelnen Bauteilen verzichtet werden. Diese Leitungselemente können dementsprechend auch nicht einfrieren und auskühlen und müssen nicht isoliert oder beheizt werden.
Die integrierte Befeuchtungseinrichtung 3 ist außerdem in den Kühlkreislauf 34 des Brennstoffzellensystems 1 eingebunden. Dieses Einbinden in dem Kühlkreislauf 34 kann beispielsweise im Bereich des in Figur 1 mit 39 bezeichneten Leitungselements erfolgen. Dies ist in der Darstellung der Figur 2 als gestricheltes Leitungselement 39 dargestellt. Über das Leitungselement 39 sind entsprechende Sammler 40 mit dem Kühlkreislauf 34 verbunden. Zwischen den beiden Sammlern 40 finden sich in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zwei ebenfalls gestrichelt dargestellte Wärmetauscher 41 , 42, welche parallel zueinander durchströmt werden. Der erste Wärmetauscher 41 bindet den Befeuchter 19 der integrierten Befeuchtungseinrichtung 3 in den Kühlkreislauf 34 mit ein, der andere Wärmetauscher 42, welcher in zwei seriell durchströmte Teilabschnitte aufgeteilt ist, bindet die beiden Wasserabscheider 1 1 , 27 der Anode beziehungsweise Kathode in den Kühlkreislauf 34 mit ein. Diese Anbindung der beiden Wasserabscheider 1 , 27 über den Wärmetauscher 42 parallel zum Befeuchter 19 über den Wärmetauscher 41 in den Kühlkreislauf 34 der Brennstoffzelle erlaubt einerseits ein schnelles Auftauen der einzelnen Abschnitte der integrierten Befeuchtungseinrichtung 3 im Falle eines Gefrierstarts, um so die Aufwärmzeit insbesondere des Befeuchters 19 auf
Betriebstemperatur zu reduzieren. Neben dieser Aufwärmung im Falle eines Gefrierstarts über das Kühlwasser ist die Anbindung an das Kühlwasser auch dahingehend von Vorteil, dass ein vergleichsweise langsames Auskühlen der integrierten Befeuchtungseinrichtung 3 beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 erfolgt, insbesondere wenn der
Kühlkreislauf 34 noch weiter betrieben wird. Dies wird außerdem durch die
vergleichsweise große Masse der integrierten Befeuchtungseinrichtung 3 gegenüber ihren Einzelkomponenten unterstützt. Dadurch kann flüssiges Wasser sehr lange flüssig gehalten und aus dem Brennstoffzellensystem 1 abgeführt werden.
Neben der Abfuhr des flüssigen Wassers über die Ventileinrichtung 32 in den
Turbinenabluftstrom wird die Abluft selbst, typischerweise zusammen mit dem über die Ventileinrichtung 14 in sie abgelassenen Restwasserstoff aus dem Anodenraum 5 über die Turbinenzuleitung 28 zu der Turbine 29 strömen. Wie bereits erwähnt, kann im Bereich der Turbinenzuleitung 28 ein Brenner beziehungsweise ein katalytischer Brenner angeordnet sein. In diesem würden dann Restsauerstoff und Restwasserstoff in dem zu der Turbine 29 strömenden Gasstrom miteinander umgesetzt. Dadurch werden
Wasserstoffemissionen an die Umgebung verhindert und die bei der katalytischen Verbrennung entstehende thermische Energie steigert die Leistungsausbeute an der Turbine 29.
In der Darstellung der Figur 3 ist die integrierte Befeuchtungseinrichtung 3 in einer alternativen Ausführungsform zu erkennen. Der Aufbau entspricht dabei weitgehend dem in Figur 2 erläuterten Aufbau. Allerdings ist hier auf die Bypassleitung 20 und das
Bypassventil 21 verzichtet worden. Eine Regelung der Befeuchtung kann so nicht mehr durch den Bypass erfolgen, sondern muss über andere Mechanismen - beispielsweise die Luftstöchiometrie - eingestellt werden. Der Aufbau spart dadurch Bauraum, Gewicht und Einzelkomponenten ein.
In der Darstellung der Figur 4 ist eine weitere alternative Ausführungsform der integrierten Befeuchtungseinrichtung 3 dargestellt. Für sie gilt im Wesentlichen das bisher Gesagte, insbesondere ist sie im Wesentlichen so aufgebaut, wie die in Figur 2 dargestellte integrierte Befeuchtungseinrichtung 3. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Ventileinrichtung 14 nicht mehr vom Anodenwasserabscheider 11 in den
Kathodenwasserabscheider 27 führt, sondern direkt in die Turbinenabluftleitung 30. Der Vorteil hierbei ist die Möglichkeit, den Kathodenwasserabscheider 27 deutlich kleiner auszulegen und dadurch Bauraum einzusparen. Der Nachteil besteht darin, dass nicht nur Wasser, sondern auch Gase aus der Anodenrezirkulation über die Ventileinrichtung 14 in den Turbinenabluftstrom gelangen und damit Wasserstoffemissionen an die Umgebung entstehen können.
Um dies zu verhindern, ist in der Darstellung der Figur 5 eine weitere alternative
Ausführungsform zu erkennen. Sie entspricht im Wesentlichen einer Kombination der beiden in den Figuren 2 und 4 beschriebenen Ausführungsform. Die Ventileinrichtung 14 ist wiederum analog zu dem in Figur 4 beschriebenen Aufbau vorhanden. Sie dient hier primär dazu, Wasser aus dem Anodenwasserabscheider 11 in die Turbinenabluftleitung 30 abzulassen. Eine weitere Ventileinrichtung 43 ist so zwischen dem
Anodenwasserabscheider 11 und dem Kathodenwasserabscheider 27 angeordnet, dass über diese primär das im Bereich des Anodenwasserabscheiders 11 befindliche Gas in den Kathodenwasserabscheider 27 abgeleitet werden kann. Auch hier kann der
Kathodenwasserabscheider 27 weiterhin bauraumoptimiert und sehr viel kleiner als bei dem Aufbau gemäß Figur 2 ausgebildet werden, da das Wasser der beiden Abscheider 11 , 27 getrennt in die Turbinenabluftleitung 30 abgeführt wird. Dennoch wird das abgelassene Gas über den Kathodenabscheider 27 der Turbine 29 und typischerweise einem davor angeordneten katalytischen Brenner zugeführt, sodass
Wasserstoffemissionen entgegen dem in Figur 4 dargestellten Aufbau hier vermieden werden können.
In der Darstellung der Figur 6 ist der Aufbau der integrierten Befeuchtungseinrichtung 3 wiederum ähnlich der Darstellung in Figur 4 zu verstehen. Die Ventileinrichtung 14 führt hier jedoch nicht von dem Anodenwasserabscheider 11 in den Bereich der
Turbinenabluftleitung 30, sondern in den Bereich der Kathodenzuleitung 22, sodass Wasser und Gas in den Kathodenraum 6 geführt wird. Anders als in der in Figur 6 gewählten schematisierten Darstellung kann es dabei vorteilhaft sein, wenn der Aufbau so gewählt ist, dass das Wasser aufgrund der Schwerkraft durch die Ventileinrichtung 14 in Richtung der Kathodenzuleitung 22 läuft.
In der Darstellung der Figur 7 wird dieser Aufbau wiederum aufgegriffen und um die bereits beschriebene Ventileinrichtung 43 ergänzt. Über die hier mit 43 bezeichnete Ventileinrichtung, welche den Anodenwasserabscheider 11 mit der Kathodenzuleitung 22 verbindet, soll nun wiederum analog zu den Ausführungen in Figur 5 das in dem Anodenwasserabscheider gesammelte Gas in die Kathodenzuleitung 22 abgeleitet werden. Gleichzeitig ist beispielhaft die Ventileinrichtung 14 wiederum als Verbindung zwischen dem Anodenwasserabscheider 11 und dem Kathodenwasserabscheider 27 dargestellt und soll primär dazu dienen, in dem Anodenwasserabscheider 11
gesammeltes Wasser in den Kathodenwasserabscheider 27 abzuleiten, analog zu den Ausführungen bei der Darstellung in Figur 2. Alternativ dazu wäre es selbstverständlich auch denkbar, die Ventileinrichtung 14 analog zu den Ausführungen in Figur 5 wiederum so anzuordnen, dass das Wasser direkt in die Turbinenabluftleitung 30 eingeleitet wird, sodass der Kathodenwasserabscheider 27 entsprechend kleiner ausgelegt werden kann.
In der Darstellung der Figur 8 ist eine weitere alternative Ausführungsform der integrierten Befeuchtungseinrichtung 3 dargestellt. Sie verzichtet dabei gänzlich auf den
Kathodenwasserabscheider 27, beispielsweise weil der Befeuchtungseinrichtung 3 in Richtung des Abluftstroms keine Turbine nachgeschaltet ist, welche vor flüssigen
Wassertröpfchen geschützt werden muss. Der Aufbau wird dadurch sehr viel kompakter. Die Ableitung von Wasser und/oder Gas über die Ventileinrichtung 4 kann direkt von dem Anodenwasserabscheider 11 in den Bereich 25 des Befeuchters 19 oder dessen Ausgang erfolgen. Außerdem weist die integrierte Befeuchtungseinrichtung 3 in der Darstellung gemäß Figur 8 eine weitere Besonderheit auf. Diese besteht in dem in die Befeuchtungseinrichtung 8 integriert ausgeführten Ladeluftkühler 17, welcher neben den Wärmetauschern 41 und 42 der integrierten Befeuchtungseinrichtung 3 ebenfalls von dem Kühlmedium durchströmt wird. Der Ladeluftkühler 17 ist dabei an einen der Sammler 40 angeschlossen beziehungsweise in diesen integriert.
Selbstverständlich ist es denkbar, alle beschrieben Ausführungsvarianten und
Einzelaspekte der Ausführungen untereinander zu kombinieren. So wäre es
beispielsweise denkbar, in jeder der beschriebenen Varianten auf die Bypassleitung 20 und die Ventileinrichtung 21 zu verzichten und/oder den Ladeluftkühler 17 entsprechend zu integrieren. Auch alle anderen denkbaren Kombinationen sind selbstverständlich möglich und können hinsichtlich der Betriebsführung sinnvoll sein.
In der abschließenden Figur 9 wird nochmals die im Wesentlichen in Figur 6
beschriebene Variante aufgegriffen. Wie bereits bei der Beschreibung der Figur 6 erwähnt worden ist, wäre es sinnvoll, wenn die Ableitung des Wassers (und des Gases) über die Ventileinrichtung 14 durch die Gravitation erfolgen kann, sodass kein unnötiger Druck zum Ausblasen des Wassers aus dem Anodenwasserabscheider 11 verloren geht. Schematisiert ist ein solcher Aufbau in der Darstellung der Figur 9 zu erkennen. Hierbei ist die integrierte Befeuchtungseinrichtung 3 zusammen mit der Brennstoffzelle 4 in einem Aufbau integriert, sodass die Kathodenzuleitung 22 im Wesentlichen entfallen kann und der befeuchtete Zuluftstrom zusammen mit Wasser und Gas aus dem Anodenabscheider 11 direkt in den Kathodenraum 6 der Brennstoffzelle 4 gelangt, wobei das aus dem Anodenwasserabscheider 11 stammende Wasser durch die Schwerkraft selbsttätig in diesen Bereich fließt. Ansonsten gilt auch hier das bei den bisherigen
Ausführungsbeispielen bereits Gesagte. So kann beispielsweise ein integrierter Aufbau von Brennstoffzelle 4 und Befeuchtungseinrichtung 3 in der beschriebenen Art auch so erfolgen, dass nur durch die integrierte Zuleitung und den Verzicht auf die
Kathodenzuleitung 22 lediglich Gase zum Kathodenraum 6 der Brennstoffzelle 4 gefördert werden, während das Wasser aus dem Anodenwasserabscheider 11 wiederum über die Ventileinrichtung 14 beispielweise in den Kathodenwasserabscheider 27 und/oder die Abluftleitung 30 beziehungsweise direkt in den Abluftstrom gelangt.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (4) und einer
Befeuchtungseinrichtung (3) zum Befeuchten eines zu einem Kathodenraum (6) der Brennstoffzelle (4) strömenden Zuluftstroms, mittels eines von dem Kathodenraum (6) der Brennstoffzelle (4) abströmenden Abluftstroms, wobei der Zuluftstrom und der Abluftstrom durch für Wasserdampf durchlässige Membranen (27) voneinander getrennt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Anodenwasserabscheider (11), welcher von Abgas aus einem Anodenraum (5) der Brennstoffzelle (4) durchströmt ist, in die Befeuchtungseinrichtung (3) integriert ausgebildet ist.
2. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Kathodenwasserabscheider (27) für den Abluftstrom in die
Befeuchtungseinrichtung (3) integriert ausgebildet ist..
3. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Befeuchter-Bypassleitung (20) mit einer Ventileinrichtung (21) um den eigentlichen Befeuchter (19) in die Befeuchtungseinrichtung (3) integriert ausgebildet ist.
4. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eine von einem Kühlmedium eines Kühlkreislaufs (34) der Brennstoffzelle (4) durchströmter Wärmetauscher (41 , 42) in die Befeuchtungseinrichtung (3) integriert ausgebildet ist.
5. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Ladeluftkühler (17) für den Zuluftstrom, welcher von einem Kühlmedium und/oder dem Abluftstrom gekühlt ist, in die Befeuchtungseinrichtung (3) integriert ausgebildet ist.
6. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine von dem Abluftstrom beaufschlagte Turbine (29) vorgesehen ist, wobei eine Turbinenabluftleitung (30) für einen Turbinenabluftstrom mechanisch an die Befeuchtungseinrichtung (3) angebunden oder in diese integriert ausgeführt ist.
7. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anodenwasserabscheider (11) über wenigstens eine Ventileinrichtung (14, 43) mit einer oder mehreren Komponenten der Kathodenseite schaltbar verbunden ist.
8. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anodenwasserabscheider (1 1) über wenigstens zwei Ventileinrichtungen (14, 43) mit einer oder mehreren Komponenten der Kathodenseite schaltbar verbunden ist, wobei eine der Ventileinrichtungen (14) so aus dem Anodenwasserabscheider (11) abzweigt, dass über diese primär ein flüssiger Volumenstrom strömt, und dass die andere der Ventileinrichtungen (43) so in dem Anodenwasserabscheider (11) abzweigt, dass über diese primär ein gasförmiger Volumenstrom strömt.
9. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anodenwasserabscheider (11) mit dem Kathodenwasserabscheider (27) schaltbar verbunden ist.
10. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
der Anodenwasserabscheider (11) mit dem Turbinenabluftstrom schaltbar verbunden ist.
11. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anodenwasserabscheider (11) mit dem Zuluftstrom schaltbar verbunden ist.
12. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Brennstoffzelle (4) und die Befeuchtungseinrichtung (3) zu einer Baueinheit integriert ausgebildet sind, sodass Wasser aus dem Anodenwasserabscheider (11 ) bei geöffneter Ventileinrichtung (14) aufgrund der Schwerkraft in den
Kathodenraum (5) der Brennstoffzelle (4) abfließen kann.
PCT/EP2012/003092 2011-08-24 2012-07-21 Brennstoffzellensystem WO2013026514A1 (de)

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US14/240,121 US9614238B2 (en) 2011-08-24 2012-07-21 Fuel cell system

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