WO2017108624A1 - Gaszu- und abführsystem - Google Patents

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WO2017108624A1
WO2017108624A1 PCT/EP2016/081499 EP2016081499W WO2017108624A1 WO 2017108624 A1 WO2017108624 A1 WO 2017108624A1 EP 2016081499 W EP2016081499 W EP 2016081499W WO 2017108624 A1 WO2017108624 A1 WO 2017108624A1
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André SPEIDEL
Rainer Glück
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Reinz-Dichtungs-Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a Gaszu- and -ab conveysystem and a method for guiding gas to at least one electrode of a fuel cell assembly and for discharging gas from the electrode.
  • the electrodes of the fuel cell are typically supplied with a gaseous fuel and an oxidizing agent.
  • a fuel z As molecular hydrogen or methanol can be used.
  • the oxidizing agent are usually oxygen-containing gases, eg. For example, air.
  • the product of the reaction between the fuel and the oxidant must be removed from the fuel cell.
  • known fuel cell systems typically include a cooling system for removing the waste heat generated during the reaction and a humidifier for adjusting a degree of moisture of the gases supplied to the system. The moistening of the gases is used for.
  • a cooling system for removing the waste heat generated during the reaction
  • a humidifier for adjusting a degree of moisture of the gases supplied to the system.
  • the moistening of the gases is used for.
  • a fuel cell system with an air conveying device for compressing supply air for a fuel cell and with a charge air cooler for cooling the supply air by exhaust air flowing from the fuel cell is known.
  • a cathode compartment of the fuel cell is supplied with air via the air conveyor, the intercooler and a humidifier. Exhaust air from the cathode compartment in turn passes through the humidifier, the intercooler and a turbine to the environment.
  • the cost of manufacturing and operating such a system is often largely determined by the design and mode of operation of the humidifier.
  • the object of the present invention is thus to provide a system which has an improved efficiency and / or a longer service life of the invention
  • a fuel cell assembly having at least one electrode
  • a gas-gas heat exchanger for transferring heat between a first gas to be supplied to the electrode and a second gas discharged or discharged from the electrode
  • a humidifier for transferring moisture between the first gas and the second gas.
  • the fuel cell arrangement, the gas-gas heat exchanger and the humidifier are designed in such a way and in fluid communication with each other,
  • the first gas to be supplied to the electrode is introduced into the gas-gas heat exchanger before passing the first gas to the electrode, and that the second gas for transferring heat between the first gas and the second gas in the gas-gas heat exchanger starting from of the Electrode can be introduced into the gas-gas heat exchanger;
  • the first gas starting from the humidifier, can be introduced into the fuel cell arrangement and can be fed to the electrode.
  • Humidifier for transferring moisture between the first gas and the second gas in the humidifier
  • the humidifier Starting from the humidifier, lead the first gas humidified or dehumidified in the humidifier to the electrode.
  • the system proposed here and the method proposed here thus differ in particular in that the first gas and the second gas after the heat transfer between the first gas and the second gas in the gas-gas heat exchanger, starting from the gas Gas heat exchanger for transferring moisture between the first gas and the second gas in the humidifier are introduced into the humidifier or initiated.
  • the moisture transfer in the humidifier is further improved by the fact that the heat transfer between the first and the second gas in the gas-gas heat exchanger before the introduction of the first and the second gas in the humidifier unwanted condensation of moisture contained in the colder of the two gases can be reduced or prevented in the humidifier.
  • the second gas discharged from the electrode normally has a lower temperature and a higher degree of humidity than the first gas to be supplied to the electrode.
  • the gas-gas heat exchanger so then takes place a heating of the moister second gas.
  • an unwanted condensation of the entrained in the second gas water vapor in the humidifier is reduced or prevented by the heating of the humid second gas by the warmer and drier first gas in the gas-gas heat exchanger.
  • the gas-gas heat exchanger and the fuel cell assembly are in fluid communication such that the second gas from the fuel cell assembly is directly or directly introduced or introduced into the gas-gas heat exchanger.
  • a temperature of the second gas before introducing the second gas into the gas-gas heat exchanger can be prevented, so that in the gas-gas heat exchanger, a particularly large amount of heat between the first and the second gas is transferable or is transmitted.
  • the temperature of the second gas when discharging the second gas from the fuel cell assembly is often lower than the temperature of the first gas when introducing the first gas into the gas-gas heat exchanger.
  • a heat transfer takes place between the first to be supplied to the electrode Gas and the discharged from the electrode second gas usually via an additional circulating coolant whose temperature is typically less than the temperature of the first gas and the temperature of the second gas.
  • the heat exchange between the first and the second gas preferably does not take place via such an additional coolant.
  • the thermal contact between the first gas and the second gas in the gas-gas heat exchanger proposed here preferably takes place only via solid bodies, which are designed such that they guide the first gas and the second gas and separate the first gas from second gas are set up.
  • the gas-to-gas heat exchanger may have a first volume for guiding the first gas and a second volume for guiding the second gas, wherein the first and the second volume for transferring heat between the first gas guided in the first volume and feasible in second volume guided or feasible second gas are in thermal contact.
  • the thermal contact between the first gas and the second gas can be realized for example via plates or fins.
  • the gas-gas heat exchanger can therefore be designed as a plate heat exchanger or as a plate heat exchanger.
  • the first gas and the second gas after the heat transfer between the first gas and the second gas in the gas proposed here Gas heat exchangers typically have a higher average temperature. It has been found that this can significantly improve the efficiency of moisture transfer between the first gas and the second gas in the humidifier.
  • the humidifier usually has a volume for guiding the first gas and a volume for guiding the second gas.
  • the volume of the humidifier for guiding the first gas is referred to below as the third volume.
  • the volume of the humidifier for guiding the second gas will be referred to as the fourth volume.
  • Humidifier usually has a water exchange element, which separating the third and the fourth volume in such a way that a moisture transfer takes place between the first gas guided or ductable in the third volume and the second gas guided or feasible in the fourth volume via the water exchange element of the humidifier.
  • the water exchange element can, for. B. comprise at least one water exchange membrane and / or capillaries for transmitting moisture between the third volume and the fourth volume.
  • Tube humidifier be formed.
  • the humidifier there is a moisture transfer from the moister of the two gases to the drier of the two gases. If the second gas is the moister of the two gases, a moisture transfer from the second gas guided in the fourth volume to the first gas guided in the third volume takes place in the humidifier.
  • the first and second volumes of the gas-to-gas heat exchanger and the third and fourth volumes of the humidifier usually each have an inlet for introducing gas into the respective volume and an outlet for discharging gas from the respective volume.
  • the input of the second volume and the output of the third volume are normally each in fluid communication with the fuel cell assembly, in particular with the electrode.
  • the second volume inlet and the third volume outlet may each be directly in fluid communication with the fuel cell assembly.
  • the output of the first volume is normally in fluid communication with the input of the third volume.
  • the output of the first volume may be directly and directly in fluid communication with the input of the third volume. It is also conceivable that between the output of the first volume and the input of the third volume further system components are arranged, which are flowed through by the first gas.
  • the output of the second volume is normally in fluid communication with the input of the fourth volume.
  • the output of the second volume may be directly in fluid communication with the input of the fourth volume. be his. It is also conceivable that between the output of the second volume and the input of the third volume further system components are arranged, which are flowed through by the second gas.
  • the inlet of the second volume for directly introducing the second gas discharged from the fuel cell arrangement into the second volume is preferably connected directly and directly via a line to the fuel cell arrangement. This line then extends from the output of the fuel cell assembly to the input of the second volume.
  • the electrode may be a cathode of the fuel cell assembly.
  • the first gas is then a reaction gas to be supplied to the cathode and the second gas is then a cathode exhaust gas.
  • the fuel cell assembly may be a hydrogen fuel cell assembly.
  • the first gas may include air, especially oxygen, and the second gas may include water vapor.
  • the gas-gas heat exchanger may additionally be preceded and / or connected downstream of a gas-liquid heat exchanger.
  • the first gas and / or the second gas can thus be introduced into a gas-liquid heat exchanger for transferring heat between the first gas and / or the second gas and a liquid cooling medium. This results in improved heat dissipation from the overall system, so that the exchange surface of the gas-gas heat exchanger can be reduced.
  • the first gas and / or the second gas before introducing the first gas and / or the second gas in the gas-gas heat exchanger in the gas-liquid Heat exchanger initiated.
  • the first gas and / or the second gas are then introduced into the gas-gas heat exchanger.
  • the first gas and / or the second gas are introduced after the heat transfer between the first and the second gas in the gas-gas heat exchanger, starting from the gas-gas heat exchanger into the gas-liquid heat exchanger.
  • the first and / or the second gas are then introduced into the humidifier.
  • two gas-liquid heat exchangers may be provided, of which a first gas-gas heat exchanger is connected upstream and of which a second is connected downstream of the gas-gas heat exchanger.
  • the gas-liquid heat exchanger can be designed such that a liquid cooling medium can be circulated in it or through it, so that heat can be transferred between the cooling medium and the first and / or the second gas.
  • the gas-liquid heat exchanger for cooling the first and / or the second gas may be formed.
  • the gas-liquid heat exchanger may have a volume for guiding the first gas and / or a volume for guiding the second gas.
  • the volume of the gas-liquid heat exchanger for guiding the first gas will be referred to as the fifth volume. If a volume of the gas-liquid heat exchanger for guiding the second gas is also provided, this is referred to below as the sixth volume.
  • the fifth volume is typically in fluid communication with the first volume of the gas-gas heat exchanger described above.
  • the sixth volume may be in fluid communication with the second volume of the gas-to-gas heat exchanger. If the gas-liquid heat exchanger upstream of the gas-gas heat exchanger, the sixth volume may further be in fluid communication with the fuel cell assembly. On the other hand, if the gas-liquid heat exchanger is connected downstream of the gas-gas heat exchanger, then the fifth volume is additionally in fluid communication with the third volume of the humidifier. The sixth volume in this case may additionally be in fluid communication with the fourth volume of the humidifier.
  • the system may include a compressor for compressing the first gas.
  • the first gas can thus be compressed before passing the first gas to the electrode.
  • a reaction rate of the reaction between the increased first gas and the electrode and the efficiency of the fuel cell assembly can be improved.
  • the compressor can z. B. be designed as a piston compressor or as a rotary compressor.
  • the compressor may be in fluid communication with the gas-gas heat exchanger in such a way that the first gas can be introduced into the gas-gas heat exchanger after compression of the first gas in the compressor, in particular into the first volume of the gas-gas heat exchanger , The first gas can therefore be compressed before the introduction of the first gas into the gas-gas heat exchanger.
  • the compressor may also be in fluid communication with the humidifier and the fuel cell assembly such that the first gas may be introduced into the compressor from the humidifier after the moisture transfer between the first and second gases in the humidifier and after the first gas has been compressed in the compressor Compressor in the fuel cell assembly can be introduced and the electrode can be fed. It can therefore be provided that the first gas is compressed after the moisture transfer between the first gas and the second gas in
  • Humidifier is done.
  • the compressor is thus typically in fluid communication with the volume of the humidifier for guiding the first gas, that is to say with the third volume described above, and with the fuel cell arrangement.
  • the compressor usually takes place heating of the first gas. If the compressor is upstream of the humidifier, this may be due to the increase in temperature long term u. U. lead to damage of the water exchange element of the humidifier. This can be avoided by the last described compression of the first gas after the moisture transfer between the first gas and the second gas in the humidifier.
  • the system may include an expander configured to convert at least a portion of the heat energy of the second gas and / or the kinetic energy of the second gas into kinetic energy of the expander.
  • the second gas can be supplied to an expander after the moisture transfer between the first gas and the second gas.
  • the heat energy of the second gas and / or the kinetic energy of the second Gases can then be at least partially converted into kinetic energy of the expander.
  • the expander can z. B. include a turbine or piston.
  • the expander may be in fluid communication with the humidifier such that the second gas from the humidifier is deliverable to the expander.
  • the expander can therefore be in particular in fluid communication with the volume of the humidifier which is set up for guiding the second gas, that is to say with the fourth volume described above.
  • the system may include a thermoelectric generator configured to convert at least a portion of the heat energy of the second gas into electrical energy.
  • thermoelectric generators based on the thermoelectric effect (Seebeck effect) are generally known from the prior art.
  • the thermoelectric generator is preferably in fluid communication with the humidifier such that the second gas can be supplied to the thermoelectric generator starting from the humidifier.
  • the expander and the compressor and / or the expander and the further compressor may be coupled or coupled such that the energy transferred from the second gas to the expander for compressing the first gas introduced into the compressor or the further compressor at least partially from the expander the compressor and / or to the other compressor is transferable.
  • the energy transferred from the second gas to the expander can thus be transferred from the expander to the compressor and / or to the further compressor for compressing the first gas.
  • the compressor may include a compressor wheel which is drivable by a turbine or a piston of the expander.
  • a generator may be provided which at least partially converts the energy of the second gas received from the expander into electrical energy. This can then z. B. are used to drive an electric motor of the compressor or other consumers in the electrochemical system.
  • thermoelectric generator and the compressor and / or the thermoelectric generator and the further compressor may be electrically connected, so that the transmitted from the second gas to the thermoelectric generator Energy is at least partially transferable for compressing the first gas from the thermoelectric generator to the compressor and / or to the other compressor.
  • the electrical energy may be temporarily stored in an electrical energy store before being transferred to the compressor or other compressor.
  • the system may further include one or more bypass lines.
  • the system may include a first bypass line for guiding the first gas, via which the first gas can be introduced into an outlet of the humidifier before the first gas is introduced into the gas-gas heat exchanger, at least partially bypassing the gas-gas heat exchanger and the humidifier is; About this bypass line, the first gas can be diverted at least partially directly into an outlet of the humidifier before introducing the first gas into the gas-gas heat exchanger, z. B. in an outlet of the fourth volume.
  • the system may include a second bypass line for guiding the first gas, via which the first gas before introducing the first gas into the gas-gas heat exchanger at least partially bypassing the gas-gas heat exchanger and the humidifier in the fuel cell assembly can be introduced;
  • the first gas can be diverted at least partially directly into the fuel cell arrangement via this bypass line before the first gas is introduced into the gas-gas heat exchanger.
  • the system may include a third bypass line for guiding the first gas, via which the first gas before introducing the first gas into the gas-gas heat exchanger at least partially, bypassing the gas-gas heat exchanger into an outlet of the gas-gas heat exchanger can be introduced; About this bypass line, the first gas before the introduction of the first gas in the gas-gas heat exchanger are at least partially diverted directly into an outlet of the gas-gas heat exchanger, for. B. in an outlet of the first volume.
  • the system may include a fourth bypass passage for guiding the first gas, via which the first gas after discharging the first gas from the gas-gas heat exchanger and before introducing the first gas into the humidifier, at least partially bypassing the humidifier in the fuel cell assembly can be introduced;
  • the first gas can be diverted at least partially directly into the fuel cell arrangement via this bypass line after the first gas has been discharged from the gas-gas heat exchanger and before the first gas has been introduced into the humidifier.
  • the system may include a fifth bypass line for guiding the first gas, via which the first gas after discharging the first gas from the humidifier and before introducing the first gas into the gas-gas heat exchanger at least partially bypassing the fuel cell assembly in a the fuel cell assembly exiting line can be introduced;
  • the first gas can be diverted at least partially into the gas-gas heat exchanger via this bypass line before the first gas is introduced into the fuel cell arrangement.
  • the system may comprise a first bypass line for guiding the second gas, via which the second gas after the discharge of the second gas from the fuel cell assembly and before the introduction of the second gas into the gas-gas heat exchanger at least partially bypassing the gas-gas Heat exchanger and the humidifier in an outlet of the humidifier can be introduced; via this bypass line, the second gas can be diverted at least partially directly into an outlet of the humidifier before introducing the second gas into the gas-gas heat exchanger, z. B. in an outlet of the fourth volume.
  • the system may comprise a second bypass line for guiding the second gas, via which the second gas after the discharge of the second gas from the fuel cell assembly and before the introduction of the second gas into the gas-gas heat exchanger at least partially bypassing the gas-gas Heat exchanger can be introduced into an outlet of the gas-gas heat exchanger;
  • the second gas can be introduced into the gas-gas via this bypass line before the second gas is introduced.
  • Heat exchangers are at least partially diverted directly into an outlet of the gas-gas heat exchanger, z. B. in an outlet of the second volume.
  • the system may include a third bypass passage for guiding the second gas over which the second gas after exhausting the second gas from the gas-gas heat exchanger and before introducing the second gas into the humidifier at least partially bypassing the
  • Humidifier can be introduced into an outlet of the humidifier; via this bypass line, after the second gas has been discharged from the gas-gas heat exchanger and before the second gas is introduced into the humidifier, the second gas can be diverted at least partially directly into an outlet of the humidifier, e.g. B. in an outlet of the fourth volume.
  • FIG. 1a schematically shows a gas supply and removal system according to the invention with a fuel cell arrangement, a gas-gas heat exchanger and a humidifier;
  • FIG. 1b schematically shows the gas supply and removal system according to FIG. 1a with additional bypass lines;
  • FIG. 2 schematically shows a further embodiment of the gas supply and removal system according to FIG. 1 a with an additional gas-liquid heat exchanger;
  • Fig. 3 shows schematically a further embodiment of the gas supply
  • FIG. 4 schematically shows a further embodiment of the gas supply and removal system according to FIG. 1 a with a compressor and an expander
  • FIG. 5 schematically shows an embodiment of the gas supply and removal system according to FIG. 1 a with an additional gas-liquid heat exchanger and with a compressor and an expander according to a first arrangement; such as
  • FIG. 6 schematically shows an embodiment of the gas supply and removal system according to FIG. 1a with an additional gas-liquid heat exchanger and with a compressor and an expander according to a third arrangement.
  • the fuel cell arrangement 2 comprises at least one electrode 2a and a reaction volume 2b.
  • the electrode 2a is at least partially disposed within the reaction volume 2b or reaches the reaction volume 2b.
  • a first gas 5 is supplied.
  • the arrows representing the first gas 5 stand for lines in which the first gas 5 is guided, wherein the direction of the arrows respectively indicates the flow direction of the first gas 5 in the respective line.
  • a second gas 6 is discharged from the electrode 2a via the reaction volume 2b.
  • the arrows representing the second gas 6 are in turn for lines in which the second gas 6 is guided, wherein the direction of the arrows respectively indicates the flow direction of the second gas 6 in the respective line.
  • the electrode 2 a is a cathode of the fuel cell arrangement 2.
  • the fuel cell arrangement 2 also comprises a multiplicity of further cathodes and anodes, which are not shown here and below for the sake of simplicity.
  • the first gas 5 can be supplied via the reaction volume 2b at the same time a plurality of cathodes.
  • the second gas 6 can be removed via the reaction volume 2b at the same time from a plurality of cathodes.
  • the fuel cell assembly 2 is a hydrogen fuel cell assembly.
  • the first gas 5 contains air and / or oxygen.
  • the oxygen contained in the first gas 5 increases at the cathode 2a electrons and reacts in the reaction volume 2b with protons, which diffuse from a neighboring anode through a membrane in the reaction volume 2b, to water.
  • the second gas 6 contains the water vapor formed in this reaction.
  • the gas-gas heat exchanger 3 comprises a first volume 7 for guiding the first gas 5 and a second volume 8 for guiding the second gas 6.
  • An inlet 7 a of the first volume 7 is connected via a line for guiding the first gas 5 z. B. connected to a gas reservoir (not shown), so that the first gas 5, starting from the gas reservoir into the first volume 7 can be introduced or initiated.
  • An input 8 a of the second volume 8 is connected via a line for guiding the second gas 6 to an output 2 c of the fuel cell assembly 2, in particular to an output 2 c of the reaction volume 2 b, so that the second gas 6, starting from the fuel cell assembly 2 and starting from the Reaction volume 2b is introduced directly into the second volume 8 of the gas-gas heat exchanger 3 or introduced.
  • the first volume 7 and the second volume 8 of the gas-gas heat exchanger 3 are physically separated from each other, so that no mixing of the first gas 5 and the second gas 6 takes place in the gas-gas heat exchanger 3. Heat is transferred between the first gas 5 guided in the first volume 7 and the second gas 6 guided in the second volume 8 via a thermal contact 9 of the gas-gas heat exchanger 3. In the gas-gas heat exchanger 3, therefore, an at least partial equalization of the temperatures of the gases 5 and 6 takes place.
  • the temperature of the first gas 5 when introducing the first gas 5 into the first volume 7 is higher than the temperature of the second gas 6 during introduction of the second gas 6 into the second volume 8, so that heat is transferred from the first gas 5 to the second gas 6 in the gas-gas heat exchanger 3.
  • the thermal contact 9 between the first volume 7 and the second volume 8 is realized only by solid body, for. B. in the form of plates and / or fins.
  • the humidifier 4 comprises a third volume 10 for guiding the first gas 5 and a fourth volume 11 for guiding the second gas 6.
  • An outlet 7b of the first volume 7 of the gas-gas heat exchanger 3 is connected via a line to an inlet 10a of the third Volume 10 of the humidifier 4 connected.
  • the first gas 5 is introduced after the heat transfer between the first gas 5 and the second gas 6 in the gas-gas heat exchanger 3, starting from the first volume 7 of the gas-gas heat exchanger 3 directly into the third volume 10 of the humidifier 4 .
  • An outlet 8b of the second volume 8 of the gas-gas heat exchanger 3 is connected via a line to an input IIa of the fourth volume 11 of the humidifier 4.
  • the second gas 6 is introduced after the heat transfer between the first gas 5 and the second gas 6 in the gas-gas heat exchanger 3, starting from the second volume 8 of the gas-gas heat exchanger 3 directly into the fourth volume 11 of the humidifier 4 ,
  • lines which are shown in the figures as intersecting lines should not be in fluid communication with each other at the point of intersection.
  • the humidifier 4 further comprises a water exchange membrane 12 which is disposed between the third volume 10 and the fourth volume 12 and which separates the third volume 10 from the fourth volume 12.
  • the humidifier 4 may also be designed as a tube humidifier or have capillaries for transferring moisture between the third volume 10 and the fourth volume 12. Via the water exchange membrane 12, a moisture transfer between the guided in the volumes 10 and 11 of the humidifier 4 gases.
  • the humidity level of the second gas 6 discharged from the electrode 2a when introducing the second gas 6 into the fourth volume 11 of the humidifier 4 is higher than the humidity level of the first gas 5 to be supplied to the electrode 2a when the first gas 5 is introduced into the third one Volume 10 of the humidifier 4.
  • Humidifier 4 can be prevented or reduced. This also contributes to more efficient moisture transfer via the water exchange membrane 12 of the humidifier 4.
  • the second gas 6 is removed from the humidifier 4.
  • An outlet 10b of the volume 10 of the humidifier 4 is connected via a line to an inlet 2d of the fuel cell arrangement 2, in particular to an inlet 2d of the reaction volume 2b.
  • the first gas 5 after the moisture transfer between the first gas 5 and the second gas 6 in
  • Humidifier 4 is introduced from the humidifier 4 in the fuel cell assembly 2 and fed via the reaction volume 2b of the electrode 2a.
  • the moistening of the first gas 5 to be introduced into the fuel cell assembly 2 in the humidifier 4 serves inter alia to avoid drying out of the proton exchange membrane of the fuel cell assembly 2, not shown here, via which the proton exchange takes place between the anode (not shown) and the cathode 2a of the fuel cell assembly 2.
  • FIG. 1b shows a further gas supply and removal system 100 ', which is a variant of the gas supply and removal system 100 according to FIG. 1a.
  • recurring features are denoted by the same reference numerals. For the sake of simplicity, therefore, only the differences between the systems 100 and 100 'will be explained in more detail.
  • the system 100 'according to FIG. 1 b differs from the system 100 according to FIG. 1 a by a first bypass line 5.1 for guiding the first gas 5, via which the first gas 5 before the first gas 5 is introduced into the gas-gas heat exchanger 3 at least partially bypassing the gas-gas heat exchanger 3, the fuel cell assembly 2 and the humidifier 4 in an outlet of the humidifier 4 is introduced, which is in fluid communication with the fourth volume 11 of the humidifier 4.
  • the flow of the first gas 5 in the conduit 5.1 is controllable by a valve 51. To prevent the gas flow in the conduit 5.1, the valve 51 can be completely closed.
  • the system 100 'according to FIG. 1b also differs from the system 100 according to FIG. 1a by a second bypass line 5.2 for guiding the first gas 5, via which the first gas 5 before introducing the first gas 5 into the gas-gas heat exchanger 3 is at least partially bypassing the gas-gas heat exchanger 3 and the humidifier 4 in the fuel cell assembly 2 can be introduced, in particular via the input 2d of the fuel cell assembly 2.
  • the flow of the first gas 5 in the conduit 5.2 is controlled by a valve 52. To prevent the gas flow in the line 5.2, the valve 52 can be completely closed.
  • the system 100 'according to FIG. 1b also differs from the system 100 according to FIG. 1a by a third bypass line 5.3 for guiding the first gas 5, via which the first gas 5 before introducing the first gas 5 into the gas-gas heat exchanger 3 is at least partially bypassing the gas-gas heat exchanger 3 in an outlet of the gas-gas heat exchanger 3 can be introduced, in particular in an outlet of the first volume 7.
  • the flow of the first gas 5 in the conduit 5.3 is controlled by a valve 53 , To prevent the gas flow in the line 5.3, the valve 53 can be completely closed.
  • the system 100 'according to FIG. 1b differs from the system 100 according to FIG.
  • a fourth bypass line 5.4 for guiding the first gas 5, via which the first gas 5 after discharging the first gas 5 from the gas-gas heat exchanger 3 and before the introduction of the first gas 5 into the humidifier 4 at least partially bypassing the humidifier 4 in the fuel cell assembly 2 can be introduced, in particular via the input 2d of the fuel cell assembly 2.
  • the flow of the first gas 5 in the conduit 5.4 is through a valve 54 controllable. To prevent the gas flow in the line 5.4, the valve 54 can be completely closed.
  • the system 100 'according to FIG. 1b also differs from the system 100 according to FIG. 1a by a fifth bypass line 5. 5 for guiding the first gas 5, via which the first gas 5 after the first gas has been discharged from the humidifier 4 and before the first gas 5 Initiation of the first gas into the gas-gas heat exchanger 3 at least partially, bypassing the fuel cell arrangement 2 in a direction emerging from the Brennstoffzellenanordung 2 line can be introduced.
  • the flow of the first gas 5 in the conduit 5.5 is controllable by a valve 55. To prevent the gas flow in the line 5.5. the valve 55 can be completely closed.
  • the system 100 'according to FIG. 1b differs from the system 100 according to FIG. 1a further by a first bypass line 6.1 for guiding the second gas 6, via which the second gas 6 after discharging the second gas 6 from the fuel cell arrangement 2 and before Introducing the second gas 6 into the gas-gas heat exchanger 3 at least partially bypassing the gas-gas heat exchanger 3 and the humidifier 4 in an outlet of the humidifier 4 can be introduced, in particular in an outlet of the fourth volume 11.
  • the flow of the second gas 6 in the conduit 6.1 is controllable by a valve 61. To prevent the gas flow in the line 6.1, the valve 61 can be completely closed.
  • the system 100 'according to FIG. 1b differs from the system 100 according to FIG. 1a further by a second bypass line 6.2 for guiding the second gas 6, via which the second gas 6 after the second gas 6 has been discharged from the fuel cell arrangement 2 and before the second gas 6 Introducing the second gas 6 in the gas-gas heat exchanger 3 at least partially under Umgege- in the outlet of the gas-gas heat exchanger 3, in particular into an outlet of the second volume 8.
  • the flow of the second gas 6 in the conduit 6.2 can be controlled by a valve 62. To prevent the gas flow in the line 6.2, the valve 62 can be completely closed.
  • the system 100 'according to FIG. 1b differs from the system 100 according to FIG. 1a further by a third bypass line 6.3 for guiding the second gas 6, via which the second gas 6 after discharging the second gas 6 from the gas-gas heat exchanger 3 and before the introduction of the second gas 6 in the humidifier 4 at least partially bypassing the
  • Humidifier 4 in an outlet of the humidifier 4 can be introduced, in particular in an outlet of the fourth volume 11.
  • the flow of the second gas 6 in the conduit 6.3 is controllable by a valve 63.
  • the valve 63 can be completely closed.
  • the system 100 'according to FIG. 1b can have one, several or all of the bypass lines 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 6.1, 6.2 and 6.3.
  • Fig. Lb are intersecting lines, which are in fluid communication with each other at the respective intersection point, marked at the crossing point explicitly by a black dot. Intersecting lines that are not marked with a black dot at the intersection are not in fluid communication with each other at the intersection.
  • the system 200 according to FIG. 2 differs from the system 100 according to FIG. 1 a in that the system 200 has a gas-liquid heat exchanger 13 which is connected to the gas-gas Heat exchanger 3 is connected upstream.
  • the gas-liquid heat exchanger 13 of the system 200 serves to transfer heat between the first gas 5 and a liquid cooling medium 14 prior to introducing the first gas 5 into the gas-gas heat exchanger 3.
  • the gas-liquid heat exchanger 13 of the system 200 serves to cool the first gas 5 before introducing the first gas 5 into the gas-gas heat exchanger 3.
  • the gas-liquid heat exchanger 13 comprises a volume 18 for guiding the first gas.
  • the first gas 5 is introduced into the volume 18, z. B. starting from the previously described gas reservoir.
  • An outlet 13b of the volume 18 is connected via a line to the inlet 7a of the first volume 7 of the gas-gas heat exchanger 3.
  • a cooling medium 14 is circulated, so that in the volume 18, a heat transfer between the guided in the volume 18 first gas 5 and the cooling medium 14 takes place.
  • the gas-liquid heat exchanger 13 may additionally be designed to transfer heat between the second gas 6 and the cooling medium 14.
  • the gas-liquid heat exchanger 13 z. B. have another volume for guiding the second gas 6, in or through which the cooling medium 14 is circulated.
  • the second gas can, for. B. starting from the fuel cell assembly 2 in this further volume of the gas-liquid heat exchanger 13 and are introduced starting from this further volume of the gas-liquid heat exchanger 13 in the second volume 8 of the gas-gas heat exchanger 3, as in Referring to the system 100 described.
  • the design of the fuel cell assembly 2, the gas-gas heat transfer 3 and the humidifier 4 of the system 200 and their fluidic connections with each other correspond to those of the system 100 of FIG. La.
  • the system 200 may optionally additionally comprise one, several or all of the bypass lines 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 6.1, 6.2, and 6.3 illustrated in FIG. 1b.
  • the method of guiding the first gas 5 to the electrode 2a and discharging the second gas 6 from the electrode 2a to the system 200 may be performed as described with respect to the system 100 of FIG. 1a.
  • FIG. 3 shows a further gas supply and removal system 300.
  • the gas supply and removal system 300 according to FIG. 3 differs from the system 200 according to FIG. 2 in that the gas-liquid heat exchanger 13 is arranged between the gas-gas heat exchangers 3 and the humidifier 4 is switched.
  • the output 7b of the first volume 7 is connected via a line to the input 13a of the Gas-liquid heat exchanger 13 connected. Via this line, the first gas 5 after the heat exchange between the first gas 5 and the second gas 6 in the gas-gas heat exchanger 3 from the first volume 7 of the gas-gas heat exchanger 3 in the volume 18 of the gas-liquid heat exchanger 13 initiated.
  • the output 13 b of the gas-liquid heat exchanger 13 is connected via a line to the inlet 10 a of the third volume 10 of the humidifier 4. Via this line, the first gas 5 after the heat exchange between the first gas 5 and the cooling medium 14 in the gas-liquid heat exchanger 13 from the volume 18 of the gas-liquid heat exchanger 13 in the third volume 10 of
  • the system 300 may optionally additionally comprise one, several or all of the bypass lines 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 6.1, 6.2, and 6.3 illustrated in FIG. 1b.
  • the bypass line 5.3 can establish a fluid connection between the inlet 7a of the first volume 7 and the outlet 13b of the gas-liquid heat exchanger 13.
  • the first gas 5 can therefore be introduced at least partially directly into the humidifier 4 before the first gas 5 is introduced into the gas-gas heat exchanger 3, bypassing the gas-gas heat exchanger 3 and the gas-liquid heat exchanger 3
  • the gas supply and removal system 400 differs from the system 100 according to FIG. 1 a by a compressor 15 which supplies the first gas 5 before the first gas 5 is introduced compressed into the gas-gas heat exchanger 3, and by an expander 16, which converts at least a portion of the heat energy of the second gas and / or the kinetic energy of the second gas into kinetic energy of the expander 16.
  • a reaction rate of the reaction between the first gas 5 and the electrode 2a can be increased. This can increase the efficiency of the fuel cell assembly 2 in converting chemical energy into electrical energy.
  • An input 15 a of the compressor may, for. B. connected to the previously described gas reservoir.
  • An output 15 b of the compressor is connected via a line to the input 7 a of the first volume 7 of the gas-gas heat exchanger 3.
  • the first gas 5 is introduced from the compressor 15 into the first volume 7 of the gas-gas heat exchanger 3.
  • the output IIb of the fourth volume 11 of the humidifier 4 is connected via a line to an input 16a of the expander 16.
  • the second gas 6 is passed to the expander 16 after the moisture transfer between the first gas 5 and the second gas 6 in the humidifier 4.
  • the compressor 15 may be formed as a rotary compressor with a compressor wheel.
  • the expander may include a turbine driven by the second gas 6.
  • the coupling 17 may be a mechanical coupling, e.g. B. in the form of a belt connection between a turbine of the expander 16 and a
  • the coupling 17 may also include a generator for converting kinetic energy of the expander 16 into electrical energy. This electrical energy can then drive, for example, an electric motor, which in turn drives a compressor wheel of the compressor 15.
  • thermoelectric generator may be provided, which is set up to at least partially convert the heat energy of the second gas 6 into electrical energy.
  • the thermoelectric generator can then be connected to the compressor 15 via an electrical line so that the electrical energy from the thermoelectric generator to the compressor 15 can be transferred to the compressor 15. bar is.
  • the compression of the first gas 5 by the compressor 15 may then be made at least partially by means of the electrical energy transferred from the thermoelectric generator to the compressor 15.
  • the system 400 may optionally additionally include one, several or all of the bypass lines 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 6.1, 6.2, and 6.3 shown in FIG. 1b.
  • the method of guiding the first gas 5 to the electrode 2a and discharging the second gas 6 from the electrode 2a to the system 400 may be performed as described with respect to the system 100 of FIG.
  • FIG. 5 shows another gas supply and removal system 500.
  • the design of the compressor 15, the expander 16 and the coupling 17 and the fluidic connections of the compressor 15 and the expander 16 with the gas-gas heat exchanger 3 and with the humidifier. 4 are realized as in the system 400 of FIG. 4.
  • the design of the gas-liquid heat exchanger 13 and the fluidic connection of the gas-liquid heat exchanger 13 with the gas-gas heat exchanger 3 and with the humidifier 4 are realized as in the system 300 shown in FIG.
  • the design of the fuel cell assembly 2, the gas-gas heat exchanger 3 and the humidifier 4 of the system 500 and their fluidic interconnections otherwise correspond to those of the system 100 of FIG. La.
  • the system 500 may optionally additionally comprise one, several or all of the bypass lines 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 6.1, 6.2, and 6.3 illustrated in FIG. 1b.
  • the bypass line 5.3 can establish a fluid connection between the inlet 7a of the first volume 7 and the outlet 13b of the gas-liquid heat exchanger 13.
  • the first gas 5 can therefore be introduced at least partially directly into the humidifier 4 before the first gas 5 is introduced into the gas-gas heat exchanger 3, bypassing the gas-gas heat exchanger 3 and the gas-liquid heat exchanger 3 especially Also, the method of guiding the first gas 5 to the electrode 2a and discharging the second gas 6 from the electrode 2a to the system 500 as in the system 100 of FIG be described described.
  • FIG. 6 shows a further gas supply and removal system 600.
  • the design of the compressor 15, the expander 16 and the coupling 17 as well as the fluidic connection of the expander 16 to the humidifier 4 are realized as in the system 400 according to FIG.
  • the design of the gas-liquid heat exchanger 13 and the fluidic connection of the gas-liquid heat exchanger 13 with the gas-gas heat exchanger 3 are realized as in the system 200 shown in FIG.
  • the output 15b of the compressor 15 is connected via a line to the inlet 13a of the gas-liquid heat exchanger 13, so that compressed in the compressor 15 first gas 5 from the compressor 15 into the gas-liquid heat exchanger 13 and from there into the first volume 7 of the gas-gas heat exchanger 3 is introduced.
  • the design of the fuel cell assembly 2, the gas-gas heat transfer 3 and the humidifier 4 of the system 600 and their fluidic interconnections otherwise correspond to those of the system 100 of FIG. La.
  • the system 600 may optionally additionally include one, several or all of the bypass lines 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 6.1, 6.2, and 6.3 shown in FIG. 1b.
  • the method of guiding the first gas 5 to the electrode 2a and discharging the second gas 6 from the electrode 2a to the system 600 may be performed as described with respect to the system 100 of FIG. 1a.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gaszu- und -abführsystem (100; 100'; 200; 300; 400; 500; 600), umfassend: eine Brennstoffzellenanordnung (2) mit wenigstens einer Elektrode (2a); einen Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) zum Übertragen von Wärme zwischen einem der Elektrode (2a) zuzuführenden ersten Gas (5) und einem von der Elektrode (2a) abgeführten oder abführbaren zweiten Gas (6); und einen Befeuchter (4) zum Übertragen von Feuchtigkeit zwischen dem ersten Gas (5) und dem zweiten Gas (6); wobei die Brennstoffzellenanordnung (2), der Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) und der Befeuchter (4) derart ausgebildet sind und derart miteinander in Fluidverbindung sind, dass das der Elektrode (2a) zuzuführende erste Gas (5) vor dem Führen des ersten Gases (5) an die Elektrode (2a) in den Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) einleitbar ist und dass das zweite Gas (6) zum Übertragen von Wärme zwischen dem ersten Gas (5) und dem zweiten Gas (6) im Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) ausgehend von der Elektrode (2a) in den Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) einleitbar ist; dass das erste Gas (5) und das zweite Gas (6) ausgehend vom Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) zum Übertragen von Feuchtigkeit zwischen dem ersten Gas (5) und dem zweiten Gas (6) im Befeuchter (4) in den Befeuchter (4) einleitbar sind; und dass das erste Gas (5) ausgehend vom Befeuchter (4) in die Brennstoffzellenanordnung (2) einleitbar ist und der Elektrode (2a) zuführbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Führen eines ersten Gases (5) an wenigstens eine Elektrode (2a) einer Brennstoffzellenanordnung (2) und zum Abführen eines zweiten Gases (6) von der wenigstens einen Elektrode (2a).

Description

Gaszu- und -abführsvstem
Die Erfindung betrifft ein Gaszu- und -abführsystem sowie ein Verfahren zum Führen von Gas an wenigstens eine Elektrode einer Brennstoffzellenanordnung und zum Abführen von Gas von der Elektrode.
Zum Betreiben einer Brennstoffzelle werden den Elektroden der Brennstoffzelle typischerweise ein gasförmiger Brennstoff und ein Oxidationsmittel zugeführt. Als Brennstoff können z. B. molekularer Wasserstoff oder Methanol verwendet werden. Als Oxidationsmittel dienen gewöhnlich sauerstoffhaltige Gase, z. B. Luft. Das Produkt der Reaktion zwischen dem Brennstoff und dem Oxidationsmittel muss aus der Brennstoffzelle abgeführt werden. Ferner weisen bekannte Brennstoffzellensysteme typischerweise ein Kühlsystem zum Abführen der bei der Reaktion entstehenden Abwärme und einen Befeuchter zum Einstellen eines Feuchtegrades der dem System zugeführten Gase auf. Die Befeuchtung der Gase dient z. B. der Aufrechterhaltung der Funktion eines zwischen den Elektroden der Brennstoffzelle angeordneten lonenleiters. Aus dem Dokument DE102012018874A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Luftfördereinrichtung zum Verdichten von Zuluft für eine Brennstoffzelle und mit einem Ladeluftkühler zum Abkühlen der Zuluft durch von der Brennstoffzelle abströmende Abluft bekannt. Einem Kathodenraum der Brennstoffzelle wird Luft über die Luftfördereinrichtung, den Ladeluftkühler und über einen Befeuchter zugeführt. Abluft aus dem Kathodenraum gelangt wiederum über den Befeuchter, den Ladeluftkühler und über eine Turbine an die Umgebung. Die Kosten für die Herstellung und den Betrieb eines solchen Systems werden oft maßgeblich von der Bauart und der Betriebsart des Befeuchters bestimmt.
Ausgehend vom Stand der Technik gemäß DE102012018874A1 liegt der vorliegenden Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein System zu schaffen, dass eine verbesserte Effizienz und/oder eine längere Lebensdauer des
Befeuchters gewährleistet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein System und durch ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Spezielle Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Vorgeschlagen wird also ein Gaszu- und -abführsystem, umfassend:
eine Brennstoffzellenanordnung mit wenigstens einer Elektrode;
einen Gas-Gas-Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme zwischen einem der Elektrode zuzuführenden ersten Gas und einem von der Elektrode abgeführten oder abführbaren zweiten Gas; und
einen Befeuchter zum Übertragen von Feuchtigkeit zwischen dem ersten Gas und dem zweiten Gas.
Die Brennstoffzellenanordnung, der Gas-Gas-Wärmeübertrager und der Befeuchter sind derart ausgebildet und derart miteinander in Fluidverbin- dung,
dass das der Elektrode zuzuführende erste Gas vor dem Führen des ersten Gases an die Elektrode in den Gas-Gas-Wärmeübertrager einleitbar ist und dass das zweite Gas zum Übertragen von Wärme zwischen dem ersten Gas und dem zweiten Gas im Gas-Gas-Wärmeübertrager ausgehend von der Elektrode in den Gas-Gas-Wärmeübertrager einleitbar ist;
dass das erste Gas und das zweite Gas nach dem Wärmeübertrag zwischen dem ersten Gas und dem zweiten Gas im Gas-Gas-Wärmeübertrager ausgehend vom Gas-Gas-Wärmeübertrager zum Übertragen von Feuchtigkeit zwischen dem ersten Gas und dem zweiten Gas im Befeuchter in den
Befeuchter einleitbar sind; und
dass das erste Gas ausgehend vom Befeuchter in die Brennstoffzellenanordnung einleitbar ist und der Elektrode zuführbar ist.
Vorgeschlagen wird außerdem ein Verfahren zum Führen eines ersten Gases an wenigstens eine Elektrode einer Brennstoffzellenanordnung und zum Abführen eines zweiten Gases von der wenigstens einen Elektrode, umfassend die Schritte:
Einleiten des der Elektrode zuzuführenden ersten Gases in einen Gas- Gas-Wärmeübertrager und Einleiten des von der Elektrode abgeführten zweiten Gases in den Gas-Gas-Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme zwischen dem ersten Gas und dem zweiten Gas im Gas-Gas-Wärmeübertrager; ausgehend vom Gas-Gas-Wärmeübertrager Einleiten des im Gas-Gas- Wärmeübertrager temperierten ersten und zweiten Gases in einen
Befeuchter zum Übertragen von Feuchtigkeit zwischen dem ersten Gas und dem zweiten Gas im Befeuchter; und
ausgehend vom Befeuchter Führen des im Befeuchter be- oder entfeuchteten ersten Gases an die Elektrode.
Vom Stand der Technik gemäß DE102012018874A1 unterscheiden sich das hier vorgeschlagene System und das hier vorgeschlagene Verfahren also insbesondere dadurch, dass das erste Gas und das zweite Gas nach dem Wärmeübertrag zwischen dem ersten Gas und dem zweiten Gas im Gas-Gas- Wärmeübertrager ausgehend vom Gas-Gas-Wärmeübertrager zum Übertragen von Feuchtigkeit zwischen dem ersten Gas und dem zweiten Gas im Befeuchter in den Befeuchter einleitbar sind bzw. eingeleitet werden.
Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise sowohl die Effizienz als auch die Lebensdauer des Befeuchters verbessert werden. Beispielsweise kann die Fläche einer im Befeuchter angeordneten Wasseraustauschmembran beim hier vorgeschlagenen System zur Erzielung einer gewünschten Feuchtigkeitstransfer- rate zwischen dem ersten und dem zweiten Gas gegenüber bekannten Systemen kleiner ausgelegt sein. Dies kann die Kosten zur Herstellung des
Befeuchters erheblich verringern. Ebenso können die Betriebskosten durch die erzielte Verlängerung der Lebensdauer des Befeuchters signifikant gesenkt werden. Der Feuchtigkeitsübertrag im Befeuchter wird zusätzlich dadurch verbessert, dass durch den Wärmeübertrag zwischen dem ersten und dem zweiten Gas im Gas-Gas-Wärmeübertrager bereits vor dem Einleiten des ersten und des zweiten Gases in den Befeuchter eine ungewünschte Kondensation der im kälteren der beiden Gase enthaltenen Feuchtigkeit im Befeuchter verringert oder unterbunden werden kann. So weist das von der Elektrode abgeführte zweite Gas normalerweise eine niedrigere Temperatur und einen höheren Feuchtigkeitsgrad auf als das der Elektrode zuzuführende erste Gas. Im Gas-Gas-Wärmetauscher erfolgt dann also eine Erwärmung des feuchteren zweiten Gases. In diesem Fall wird durch die Erwärmung des feuchteren zweiten Gases durch das wärmere und trockenere erste Gas im Gas-Gas- Wärmeübertrager eine unerwünschte Kondensation des im zweiten Gas mitgeführten Wasserdampfes im Befeuchter verringert oder unterbunden.
Vorzugsweise sind der Gas-Gas-Wärmeübertrager und die Brennstoffzellenanordnung derart in Fluidverbindung, dass das zweite Gas von der Brennstoffzellenanordnung direkt und unmittelbar in den Gas-Gas-Wärmeübertrager einleitbar ist oder eingeleitet wird. So kann eine Temperierung des zweiten Gases vor dem Einleiten des zweiten Gases in den Gas-Gas-Wärmeübertrager verhindert werden, so dass im Gas-Gas-Wärmeübertrager eine besonders große Wärmemenge zwischen dem ersten und dem zweiten Gas übertragbar ist oder übertragen wird. Beispielsweise ist die Temperatur des zweiten Gases beim Abführen des zweiten Gases aus der Brennstoffzellenanordnung oft geringer als die Temperatur des ersten Gases beim Einleiten des ersten Gases in den Gas-Gas-Wärmeübertrager. Durch eine direkte Verbindung zwischen der Brennstoffzellenanordnung und dem Gas-Gas-Wärmeübertrager zum direkten Einleiten des zweiten Gases von der Brennstoffzellenanordnung in den Gas-Gas-Wärmeübertrager erfolgt im Gas-Gas-Wärmeübertrager dann eine besonders effiziente Kühlung des ersten Gases.
Bei bekannten Gaszu- und -abführsystemen für Brennstoffzellenanordnungen erfolgt ein Wärmeübertrag zwischen dem der Elektrode zuzuführenden ersten Gas und dem von der Elektrode abgeführten zweiten Gas gewöhnlich über ein zusätzliches zirkulierendes Kühlmittel, dessen Temperatur typischerweise geringer ist als die Temperatur des ersten Gases und die Temperatur des zweiten Gases. Im hier vorgeschlagenen Gas-Gas-Wärmeübertrager erfolgt der Wärmeaustausch zwischen dem ersten und dem zweiten Gas dagegen vorzugsweise nicht über ein derartiges zusätzliches Kühlmittel. Stattdessen erfolgt der thermische Kontakt zwischen dem ersten Gas und dem zweiten Gas im hier vorgeschlagenen Gas-Gas-Wärmeübertrager vorzugsweise nur über feste Körper, die derart ausgebildet sind, dass sie zum Führen des ersten Gases und des zweiten Gases und zum Trennen des ersten Gases vom zweiten Gas eingerichtet sind. Z. B. kann der Gas-Gas-Wärmeübertrager ein erstes Volumen zur Führung des ersten Gases und ein zweites Volumen zur Führung des zweiten Gases aufweisen, wobei das erste und das zweite Volumen zur Übertragung von Wärme zwischen dem im ersten Volumen geführten oder führbaren ersten Gas und dem im zweiten Volumen geführten oder führbaren zweiten Gas in thermischem Kontakt sind. Der thermische Kontakt zwischen dem ersten Gas und dem zweiten Gas kann beispielsweise über Platten oder Lamellen realisiert sein. Der Gas-Gas-Wärmeübertrager kann also als Plattenwärmeübertrager oder als Lamellenwärmeübertrager ausgebildet sein.
Gegenüber Gaszu- und -abführsystemen, bei denen Wärme zwischen dem ersten und/oder dem zweiten Gas und einem zusätzlichen zirkulierenden Kühlmittel übertragen wird, haben das erste Gas und das zweite Gas nach dem Wärmeübertrag zwischen dem ersten Gas und dem zweiten Gas im hier vorgeschlagenen Gas-Gas-Wärmeübertrager typischerweise eine höhere mittlere Temperatur. Es hat sich gezeigt, dass dies die Effizienz des Feuchtigkeitsübertrags zwischen dem ersten Gas und dem zweiten Gas im Befeuchter erheblich verbessern kann.
Der Befeuchter weist gewöhnlich ein Volumen zur Führung des ersten Gases und ein Volumen zur Führung des zweiten Gases auf. Zur Unterscheidung vom oben genannten ersten und zweiten Volumen des Gas-Gas-Wärmeübertragers wird das Volumen des Befeuchters zum Führen des ersten Gases im Weiteren als drittes Volumen bezeichnet. Das Volumen des Befeuchters zum Führen des zweiten Gases wird im Weiteren als viertes Volumen bezeichnet. Der
Befeuchter weist normalerweise ein Wasseraustauschelement auf, welches das dritte und das vierte Volumen derart trennt, dass ein Feuchtigkeitsübertrag zwischen dem im dritten Volumen geführten oder führbaren ersten Gas und dem im vierten Volumen geführten oder führbaren zweiten Gas über das Wasseraustauschelement des Befeuchters erfolgt. Das Wasseraustauschelement kann z. B. wenigstens eine Wasseraustauschmembran und/oder Kapillaren zum Übertragen von Feuchtigkeit zwischen dem dritten Volumen und dem vierten Volumen umfassen. Ebenso kann der Befeuchter als
Röhrenbefeuchter ausgebildet sein. Im Befeuchter erfolgt ein Feuchtigkeitsübertrag vom feuchteren der beiden Gase auf das trockenere der beiden Gase. Ist das zweite Gas das feuchtere der beiden Gase, so erfolgt im Befeuchter also ein Feuchtigkeitsübertrag vom im vierten Volumen geführten zweiten Gas auf das im dritten Volumen geführte erste Gas.
Das erste und das zweite Volumen des Gas-Gas-Wärmeübertragers sowie das dritte und das vierte Volumen des Befeuchter weisen gewöhnlich jeweils einen Eingang zum Einleiten von Gas in das jeweilige Volumen und einen Ausgang zum Ableiten von Gas aus dem jeweiligen Volumen auf. Der Eingang des zweiten Volumens und der Ausgang des dritten Volumens sind normalerweise jeweils in Fluidverbindung mit der Brennstoffzellenanordnung, insbesondere mit der Elektrode. Z. B. können der Eingang des zweiten Volumens und der Ausgang des dritten Volumens jeweils unmittelbar in Fluidverbindung mit der Brennstoffzellenanordnung sein. Ebenso ist es denkbar, dass zwischen dem Eingang des zweiten Volumens und/oder dem Ausgang des dritten Volumens und der Brennstoffzellenanordnung weitere Systemkomponenten angeordnet sind, die von dem ersten bzw. dem zweiten Gas durchströmt werden.
Der Ausgang des ersten Volumens ist normalerweise in Fluidverbindung mit dem Eingang des dritten Volumens. Z. B. kann der Ausgang des ersten Volumens direkt und unmittelbar in Fluidverbindung mit dem Eingang des dritten Volumens sein. Ebenso ist es denkbar, dass zwischen dem Ausgang des ersten Volumens und dem Eingang des dritten Volumens weitere Systemkomponenten angeordnet sind, die von dem ersten Gas durchströmt werden.
Der Ausgang des zweiten Volumens ist normalerweise in Fluidverbindung mit dem Eingang des vierten Volumens. Z. B. kann der Ausgang des zweiten Volumens unmittelbar in Fluidverbindung mit dem Eingang des vierten Volu- mens sein. Ebenso ist es denkbar, dass zwischen dem Ausgang des zweiten Volumens und dem Eingang des dritten Volumens weitere Systemkomponenten angeordnet sind, die von dem zweiten Gas durchströmt werden.
Wie oben beschrieben ist der Eingang des zweiten Volumens zum direkten Einleiten des aus der Brennstoffzellenanordnung abgeführten zweiten Gases in das zweite Volumen vorzugsweise direkt und unmittelbar über eine Leitung mit der Brennstoffzellenanordnung verbunden. Diese Leitung erstreckt sich dann vom Ausgang der Brennstoffzellenanordnung bis zum Eingang des zweiten Volumens.
Die Elektrode kann eine Kathode der Brennstoffzellenanordnung sein. Das erste Gas ist dann ein der Kathode zuzuführendes Reaktionsgas und das zweite Gas ist dann ein Kathodenabgas. Die Brennstoffzellenanordnung kann eine Wasserstoff-Brennstoffzellenanordnung sein. Z. B. kann das erste Gas Luft umfassen, insbesondere Sauerstoff, und das zweite Gas kann Wasserdampf enthalten.
Zur verbesserten Einstellung einer gewünschten Temperatur des ersten Gases und/oder des zweiten Gases vor dem Einleiten des ersten Gases und des zweiten Gases in den Befeuchter kann dem Gas-Gas-Wärmeübertrager zusätzlich ein Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertrager vorgeschaltet und/oder nachgeschaltet sein. Das erste Gas und/oder das zweite Gas können also zum Übertragen von Wärme zwischen dem ersten Gas und/oder dem zweiten Gas und einem flüssigen Kühlmedium in einen Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertrager eingeleitet werden. Hierdurch kommt es zu einer verbesserten Wärmeableitung aus dem Gesamtsystem, so dass die Austauschfläche des Gas-Gas-Wärmeübertrager verkleinert sein kann.
Ist der Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertrager dem Gas-Gas-Wärmeübertrager vorgeschaltet, so werden das erste Gas und/oder das zweite Gas vor dem Einleiten des ersten Gases und/oder des zweiten Gases in den Gas-Gas- Wärmeübertrager in den Gas-Flüssigkeit Wärmeübertrager eingeleitet. Ausgehend vom Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertrager werden das erste Gas und/oder das zweite Gas dann in den Gas-Gas-Wärmeübertrager eingeleitet. Ist der Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertrager dem Gas-Gas-Wärmeübertrager da- gegen nachgeschaltet, so werden das erste Gas und/oder das zweite Gas erst nach dem Wärmeübertrag zwischen dem ersten und dem zweiten Gas im Gas- Gas-Wärmeübertrager ausgehend vom Gas-Gas-Wärmeübertrager in den Gas- Flüssigkeit-Wärmeübertrager eingeleitet. Ausgehend vom Gas-Flüssigkeit- Wärmeübertrager werden das erste und/oder das zweite Gas dann in den Befeuchter eingeleitet. Selbstverständlich können auch zwei Gas-Flüssigkeit Wärmeübertrager vorgesehen sein, von denen ein erster dem Gas-Gas- Wärmeübertrager vorgeschaltet ist und von denen ein zweiter dem Gas-Gas- Wärmeübertrager nachgeschaltet ist.
Der Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertrager kann derart ausgebildet sein, dass in ihm oder durch ihn ein flüssiges Kühlmedium zirkulierbar ist, so dass Wärme zwischen dem Kühlmedium und dem ersten und/oder dem zweiten Gas übertragbar ist. Insbesondere kann der Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertrager zum Kühlen des ersten und/oder des zweiten Gases ausgebildet sein. Der Gas- Flüssigkeit-Wärmeübertrager kann ein Volumen zum Führen des ersten Gases und/oder ein Volumen zum Führen des zweiten Gases aufweisen. Das Volumen des Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertragers zum Führen des ersten Gases wird im Weiteren als fünftes Volumen bezeichnet. Falls auch ein Volumen des Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertragers zum Führen des zweiten Gases vorgesehen ist, wird dieses im Weiteren als sechstes Volumen bezeichnet. Das fünfte Volumen ist typischerweise in Fluidverbindung mit dem zuvor beschriebenen ersten Volumen des Gas-Gas-Wärmeübertragers. Das sechste Volumen kann in Fluidverbindung mit dem zweiten Volumen des Gas-Gas-Wärmeübertragers sein. Ist der Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertrager dem Gas-Gas- Wärmeübertrager vorgeschaltet, so kann das sechste Volumen ferner in Fluidverbindung mit der Brennstoffzellenanordnung sein. Ist der Gas- Flüssigkeit-Wärmeübertrager dem Gas-Gas-Wärmeübertrager dagegen nachgeschaltet, so ist das fünfte Volumen typischerweise zusätzlich in Fluidverbindung mit dem dritten Volumen des Befeuchters. Das sechste Volumen kann in diesem Fall zusätzlich in Fluidverbindung mit dem vierten Volumen des Befeuchters sein.
Das System kann einen Kompressor zum Verdichten des ersten Gases umfassen. Das erste Gas kann also vor dem Führen des ersten Gases an die Elektrode verdichtet werden. So kann eine Reaktionsrate der Reaktion zwischen dem ersten Gas und der Elektrode erhöht und die Effizienz der Brennstoffzellenanordnung verbessert werden. Der Kompressor kann z. B. als Kolbenverdichter oder als Rotationsverdichter ausgebildet sein.
Der Kompressor kann derart mit dem Gas-Gas-Wärmeübertrager in Fluidver- bindung sein, dass das erste Gas nach der Verdichtung des ersten Gases im Kompressor in den Gas-Gas-Wärmeübertrager einleitbar ist, insbesondere in das erste Volumen das Gas-Gas-Wärmeübertragers. Das erste Gas kann also vor dem Einleiten des ersten Gases in den Gas-Gas-Wärmeübertrager verdichtet werden.
Der Kompressor kann auch derart mit dem Befeuchter und der Brennstoffzellenanordnung in Fluidverbindung sein, dass das erste Gas nach dem Feuchtigkeitsübertrag zwischen dem ersten und dem zweiten Gas im Befeuchter ausgehend vom Befeuchter in den Kompressor einleitbar ist und nach der Verdichtung des ersten Gases im Kompressor ausgehend vom Kompressor in die Brennstoffzellenanordnung einleitbar und der Elektrode zuführbar ist. Es kann also vorgesehen sein, dass das erste Gas verdichtet wird, nachdem der Feuchtigkeitsübertrag zwischen dem ersten Gas und dem zweiten Gas im
Befeuchter erfolgt ist. In diesem Fall ist der Kompressor also typischerweise in Fluidverbindung mit dem Volumen des Befeuchters zum Führen des ersten Gases, also mit dem zuvor beschriebenen dritten Volumen, und mit der Brennstoffzellenanordnung. Im Kompressor erfolgt gewöhnlich eine Erwärmung des ersten Gases. Wenn der Kompressor dem Befeuchter vorgeschaltet ist, kann dies aufgrund der Temperaturerhöhung langfristig u. U. zu einer Beschädigung des Wasseraustauschelements des Befeuchters führen. Dies kann durch das zuletzt beschriebene Verdichten des ersten Gases erst nach dem Feuchtigkeitsübertrag zwischen dem ersten Gas und dem zweiten Gas im Befeuchter vermieden werden.
Das System kann einen Expander aufweisen, der eingerichtet ist, wenigstens einen Teil der Wärmeenergie des zweiten Gases und/oder der kinetischen Energie des zweiten Gases in kinetische Energie des Expanders umzuwandeln. Das zweite Gas kann also nach dem Feuchtigkeitsübertrag zwischen dem ersten Gas und dem zweiten Gas einem Expander zugeführt werden. Die Wärmeenergie des zweiten Gases und/oder die kinetische Energie des zweiten Gases kann dann wenigstens teilweise in kinetische Energie des Expanders umgewandelt werden. Der Expander kann z. B. eine Turbine oder Kolben umfassen. Der Expander kann derart mit dem Befeuchter in Fluidverbindung sein, dass das zweite Gas ausgehend vom Befeuchter dem Expander zuführbar ist. Der Expander kann also insbesondere in Fluidverbindung mit dem Volumen des Befeuchters sein, das zum Führen des zweiten Gases eingerichtet ist, also mit dem zuvor beschriebenen vierten Volumen.
Alternativ oder zusätzlich zum Expander kann das System einen thermoelekt- rischen Generator aufweisen, der eingerichtet ist, wenigstens einen Teils der Wärmeenergie des zweiten Gases in elektrische Energie umzuwandeln. Solche auf dem thermoelektrischen Effekt (Seebeck-Effekt) basierenden thermo- elektrischen Generatoren sind allgemein aus dem Stand der Technik bekannt. Vorzugsweise ist der thermoelektrische Generator derart mit dem Befeuchter in Fluidverbindung, dass das zweite Gas ausgehend vom Befeuchter dem thermoelektrischen Generator zuführbar ist.
Der Expander und der Kompressor und/oder der Expander und der weitere Kompressor können derart gekoppelt sein oder koppelbar sein, dass die vom zweiten Gas auf den Expander übertragene Energie zum Verdichten des in den Kompressor oder den weiteren Kompressor eingeleiteten ersten Gases wenigstens teilweise vom Expander an den Kompressor und/oder an den weiteren Kompressor übertragbar ist. Die vom zweiten Gas auf den Expander übertragene Energie kann also zum Verdichten des ersten Gases vom Expander an den Kompressor und/oder an den weiteren Kompressor übertragen werden. Z. B. kann der Kompressor ein Verdichterrad aufweisen, das von einer Turbine oder einem Kolben des Expanders antreibbar ist. Ebenso kann ein Generator vorgesehen sein, der die vom Expander aufgenommene Energie des zweiten Gases wenigstens teilweise in elektrische Energie umwandelt. Diese kann dann z. B. zum Antreiben eines Elektromotors des Kompressors dienen oder anderen Verbrauchern im elektrochemischen System zugeführt werden.
Sofern das System einen thermoelektrischen Generator aufweist, können der thermoelektrische Generator und der Kompressor und/oder der thermoelektrische Generator und der weitere Kompressor elektrisch verbunden sein, so dass die vom zweiten Gas auf den thermoelektrischen Generator übertragene Energie wenigstens teilweise zum Verdichten des ersten Gases vom thermo- elektrischen Generator an den Kompressor und/oder an den weiteren Kompressor übertragbar ist. Gegebenenfalls kann die elektrische Energie dazu in einem Speicher für elektrische Energie zwischengespeichert werden, bevor sie an den Kompressor oder den weiteren Kompressor übertragen wird.
Zur verbesserten Einstellung der Feuchtigkeit und/oder der Temperatur des ersten und/oder des zweiten Gases kann das System ferner eine oder mehrere Umgehungsleitungen aufweisen.
Das System kann eine erste Umgehungsleitung zum Führen des ersten Gases aufweisen, über die das erste Gas vor dem Einleiten des ersten Gases in den Gas-Gas-Wärmeübertrager wenigstens teilweise unter Umgehung des Gas- Gas-Wärmeübertragers und des Befeuchters in einen Auslass des Befeuchters einleitbar ist; über diese Umgehungsleitung kann das erste Gas vor dem Einleiten des ersten Gases in den Gas-Gas-Wärmeübertrager wenigstens teilweise direkt in einen Auslass des Befeuchters umgeleitet werden, z. B. in einen Auslass des vierten Volumens.
Das System kann eine zweite Umgehungsleitung zum Führen des ersten Gases aufweisen, über die das erste Gas vor dem Einleiten des ersten Gases in den Gas-Gas-Wärmeübertrager wenigstens teilweise unter Umgehung des Gas- Gas-Wärmeübertragers und des Befeuchters in die Brennstoffzellenanordnung einleitbar ist; über diese Umgehungsleitung kann das erste Gas vor dem Einleiten des ersten Gases in den Gas-Gas-Wärmeübertrager wenigstens teilweise direkt in die Brennstoffzellenanordnung umgeleitet werden.
Das System kann eine dritte Umgehungsleitung zum Führen des ersten Gases aufweisen, über die das erste Gas vor dem Einleiten des ersten Gases in den Gas-Gas-Wärmeübertrager wenigstens teilweise unter Umgehung des Gas- Gas-Wärmeübertragers in einen Auslass des Gas-Gas-Wärmeübertragers einleitbar ist; über diese Umgehungsleitung kann das erste Gas vor dem Einleiten des ersten Gases in den Gas-Gas-Wärmeübertrager wenigstens teilweise direkt in einen Auslass des Gas-Gas-Wärmeübertragers umgeleitet werden, z. B. in einen Auslass des ersten Volumens. Das System kann eine vierte Umgehungsleitung zum Führen des ersten Gases aufweisen, über die das erste Gas nach dem Auslassen des ersten Gases aus dem Gas-Gas-Wärmeübertrager und vor dem Einleiten des ersten Gases in den Befeuchter wenigstens teilweise unter Umgehung des Befeuchters in die Brennstoffzellenanordnung einleitbar ist; über diese Umgehungsleitung kann das erste Gas nach dem Auslassen des ersten Gases aus dem Gas-Gas- Wärmeübertrager und vor dem Einleiten des ersten Gases in den Befeuchter wenigstens teilweise direkt in die Brennstoffzellenanordnung umgeleitet werden.
Das System kann eine fünfte Umgehungsleitung zum Führen des ersten Gases aufweisen, über die das erste Gas nach dem Auslassen des ersten Gases aus dem Befeuchter und vor dem Einleiten des ersten Gases in den Gas-Gas- Wärmeübertrager wenigstens teilweise unter Umgehung der Brennstoffzellenanordnung in eine aus der Brennstoffzellenanordnung austretende Leitung einleitbar ist; über diese Umgehungsleitung kann das erste Gas vor dem Einleiten des ersten Gases in die Brennstoffzellenanordnung wenigstens teilweise in den Gas-Gas-Wärmeübertrager umgeleitet werden.
Das System kann eine erste Umgehungsleitung zum Führen des zweiten Gases aufweisen, über die das zweite Gas nach dem Auslassen des zweiten Gases aus der Brennstoffzellenanordnung und vor dem Einleiten des zweiten Gases in den Gas-Gas-Wärmeübertrager wenigstens teilweise unter Umgehung des Gas-Gas-Wärmeübertragers und des Befeuchters in einen Auslass des Befeuchters einleitbar ist; über diese Umgehungsleitung kann das zweite Gas vor dem Einleiten des zweiten Gases in den Gas-Gas-Wärmeübertrager wenigstens teilweise direkt in einen Auslass des Befeuchters umgeleitet werden, z. B. in einen Auslass des vierten Volumens.
Das System kann eine zweite Umgehungsleitung zum Führen des zweiten Gases aufweisen, über die das zweite Gas nach dem Auslassen des zweiten Gases aus der Brennstoffzellenanordnung und vor dem Einleiten des zweiten Gases in den Gas-Gas-Wärmeübertrager wenigstens teilweise unter Umgehung des Gas-Gas-Wärmeübertragers in einen Auslass des Gas-Gas- Wärmeübertragers einleitbar ist; über diese Umgehungsleitung kann das zweite Gas vor dem Einleiten des zweiten Gases in den Gas-Gas- Wärmeübertrager wenigstens teilweise direkt in einen Auslass des Gas-Gas- Wärmeübertragers umgeleitet werden, z. B. in einen Auslass des zweiten Volumens.
Das System kann eine dritte Umgehungsleitung zum Führen des zweiten Gases aufweisen, über die das zweite Gas nach dem Auslassen des zweiten Gases aus dem Gas-Gas-Wärmeübertrager und vor dem Einleiten des zweiten Gases in den Befeuchter wenigstens teilweise unter Umgehung des
Befeuchters in einen Auslass des Befeuchters einleitbar ist; über diese Umgehungsleitung kann das zweite Gas nach dem Auslassen des zweiten Gases aus dem Gas-Gas-Wärmeübertrager und vor dem Einleiten des zweiten Gases in den Befeuchter wenigstens teilweise direkt in einen Auslass des Befeuchters umgeleitet werden, z. B. in einen Auslass des vierten Volumens.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. la schematisch ein erfindungsgemäßes Gaszu- und -abführsystem mit einer Brennstoffzellenanordnung, einem Gas-Gas-Wärmeübertrager und einem Befeuchter;
Fig. lb schematisch das Gaszu- und -abführsystem gemäß Fig. la mit zusätzlichen Umgehungsleitungen;
Fig. 2 schematisch eine weitere Ausführungsform des Gaszu- und - abführsystem gemäß Fig. la mit einem zusätzlichen Gas- Flüssigkeit-Wärmeübertrager;
Fig. 3 schematisch eine weitere Ausführungsform des Gaszu- und
-abführsystems gemäß Fig. la mit einem zusätzlichen Gas- Flüssigkeit-Wärmeübertrager;
Fig. 4 schematisch eine weitere Ausführungsform des Gaszu- und - abführ-systems gemäß Fig. la mit einem Kompressor und einem Expander; Fig. 5 schematisch eine Ausführungsform des Gaszu- und - abführsystems gemäß Fig. la mit einem zusätzlichen Gas- Flüssigkeit-Wärmeübertrager sowie mit einem Kompressor und einem Expander gemäß einer ersten Anordnung; sowie
Fig. 6 schematisch eine Ausführungsform des Gaszu- und - abführsystems gemäß Fig. la mit einem zusätzlichen Gas- Flüssigkeit-Wärmeübertrager sowie mit einem Kompressor und einem Expander gemäß einer dritten Anordnung.
Fig. la zeigt ein Gaszu- und -abführsystem 100 mit einer Brennstoffzellenanordnung 2, mit einem Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 und mit einem Befeuchter 4. Die Brennstoffzellenanordnung 2 umfasst wenigstens eine Elektrode 2a und ein Reaktionsvolumen 2b. Die Elektrode 2a ist wenigstens teilweise innerhalb des Reaktionsvolumens 2b angeordnet oder reicht an das Reaktionsvolumen 2b heran. Über das Reaktionsvolumen 2b wird der Elektrode 2a ein erstes Gas 5 zugeführt. Die das erste Gas 5 darstellenden Pfeile stehen für Leitungen, in denen das erste Gas 5 geführt wird, wobei die Pfeilrichtung jeweils die Strömungsrichtung des ersten Gases 5 in der jeweiligen Leitung angibt. Ebenso wird über das Reaktionsvolumen 2b ein zweites Gas 6 von der Elektrode 2a abgeführt. Die das zweite Gas 6 darstellenden Pfeile stehen wiederum für Leitungen, in denen das zweite Gas 6 geführt wird, wobei die Pfeilrichtung jeweils die Strömungsrichtung des zweiten Gases 6 in der jeweiligen Leitung angibt.
Hier ist die Elektrode 2a eine Kathode der Brennstoffzellenanordnung 2. Die Brennstoffzellenanordnung 2 umfasst noch eine Vielzahl weiterer Kathoden und Anoden, die hier und im Folgenden nur der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. Z. B. kann das erste Gas 5 über das Reaktionsvolumen 2b zugleich einer Vielzahl von Kathoden zugeführt werden. Ebenso kann das zweite Gas 6 über das Reaktionsvolumen 2b zugleich von einer Vielzahl von Kathoden abgeführt werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzellenanordnung 2 eine Wasserstoffbrennstoffzellenanordnung. Das erste Gas 5 enthält Luft und/oder Sauerstoff. Der im ersten Gas 5 enthaltene Sauerstoff nimmt an der Kathode 2a Elektronen auf und reagiert im Reaktionsvolumen 2b mit Protonen, die von einer benachbarten Anode durch eine Membran in das Reaktionsvolumen 2b diffundieren, zu Wasser. Das zweite Gas 6 enthält den bei dieser Reaktion entstandenen Wasserdampf.
Der Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 umfasst ein erstes Volumen 7 zum Führen des ersten Gases 5 und ein zweites Volumen 8 zum Führen des zweiten Gases 6. Ein Eingang 7a des ersten Volumens 7 ist über eine Leitung zum Führen des ersten Gases 5 z. B. mit einem Gasreservoir verbunden (nicht gezeigt), so dass das erste Gas 5 ausgehend von dem Gasreservoir in das erste Volumen 7 einleitbar ist oder eingeleitet wird. Ein Eingang 8a des zweiten Volumens 8 ist über eine Leitung zum Führen des zweiten Gases 6 mit einem Ausgang 2c der Brennstoffzellenanordnung 2 verbunden, insbesondere mit einem Ausgang 2c des Reaktionsvolumens 2b, so dass das zweite Gas 6 ausgehend von der Brennstoffzellenanordnung 2 bzw. ausgehend vom Reaktionsvolumen 2b direkt in das zweite Volumen 8 des Gas-Gas-Wärmeübertragers 3 einleitbar ist oder eingeleitet wird.
Das erste Volumen 7 und das zweite Volumen 8 des Gas-Gas- Wärmeübertragers 3 sind physikalisch voneinander getrennt, so dass im Gas- Gas-Wärmeübertrager 3 keine Durchmischung des ersten Gases 5 und des zweiten Gases 6 erfolgt. Über einen thermischen Kontakt 9 des Gas-Gas- Wärmeübertragers 3 wird Wärme zwischen dem im ersten Volumen 7 geführten ersten Gas 5 und dem im zweiten Volumen 8 geführten zweiten Gas 6 übertragen. Im Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 erfolgt also eine wenigstens teilweise Angleichung der Temperaturen der Gase 5 und 6. Hier ist die Temperatur des ersten Gases 5 beim Einleiten des ersten Gases 5 in das erste Volumen 7 höher als die Temperatur des zweiten Gases 6 beim Einleiten des zweiten Gases 6 in das zweite Volumen 8, so dass im Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 Wärme vom ersten Gas 5 auf das zweite Gas 6 übertragen wird. Z. B. hat das erste Gas 5 beim Einleiten des ersten Gases 5 in das erste Volumen 7 eine Temperatur zwischen 200°C und 250°C, und das zweite Gas 6 hat beim Einleiten des zweiten Gases 6 in das Volumen 8 z. B. eine Temperatur zwischen 60°C und 80°C. Der thermische Kontakt 9 zwischen dem ersten Volumen 7 und dem zweiten Volumen 8 ist nur durch feste Körper realisiert, z. B. in Form von Platten und/oder Lamellen. Durch das wenigstens teilweise Abkühlen des der Elektrode 2a zuzuführenden ersten Gases 5 mithilfe des von der Elektrode 2a abgeführten zweiten Gases 6 im Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 kann ein ggf. vorhandenes weiteres Kühlsystem zum Kühlen der Brennstoffzellenanordnung 2 kleiner ausgelegt sein.
Der Befeuchter 4 umfasst ein drittes Volumen 10 zum Führen des ersten Gases 5 und ein viertes Volumen 11 zum Führen des zweiten Gases 6. Ein Ausgang 7b des ersten Volumens 7 des Gas-Gas-Wärmeübertragers 3 ist über eine Leitung mit einem Eingang 10a des dritten Volumens 10 des Befeuchters 4 verbunden. Über diese Leitung wird das erste Gas 5 nach dem Wärmeübertrag zwischen dem ersten Gas 5 und dem zweiten Gas 6 im Gas-Gas- Wärmeübertrager 3 ausgehend vom ersten Volumen 7 des Gas-Gas- Wärmeübertragers 3 direkt in das dritte Volumen 10 des Befeuchters 4 eingeleitet. Ein Ausgang 8b des zweiten Volumens 8 des Gas-Gas- Wärmeübertragers 3 ist über eine Leitung mit einem Eingang IIa des vierten Volumens 11 des Befeuchters 4 verbunden. Über diese Leitung wird das zweite Gas 6 nach dem Wärmeübertrag zwischen dem ersten Gas 5 und dem zweiten Gas 6 im Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 ausgehend vom zweiten Volumen 8 des Gas-Gas-Wärmeübertragers 3 direkt in das vierte Volumen 11 des Befeuchters 4 eingeleitet. Hier und im Folgenden sollen Leitungen, die in den Figuren als einander kreuzende Leitungen dargestellt sind, im Kreuzungspunkt nicht in Fluidverbindung miteinander sein.
Der Befeuchter 4 weist ferner eine Wasseraustauschmembran 12 auf, die zwischen dem dritten Volumen 10 und dem vierten Volumen 12 angeordnet ist und die das dritte Volumen 10 von dem vierten Volumen 12 trennt. Alternativ oder zusätzlich kann der Befeuchter 4 auch als Röhrenbefeuchter ausgebildet sein oder Kapillaren zum Übertragen von Feuchtigkeit zwischen dem dritten Volumen 10 und dem vierten Volumen 12 aufweisen. Über die Wasseraustauschmembran 12 kann ein Feuchtigkeitsübertrag zwischen den in den Volumina 10 und 11 des Befeuchters 4 geführten Gasen erfolgen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Feuchtigkeitsgrad des von der Elektrode 2a abgeführten zweiten Gases 6 beim Einleiten des zweiten Gases 6 in das vierte Volumen 11 des Befeuchters 4 höher als der Feuchtigkeitsgrad des der Elektrode 2a zuzuführenden ersten Gases 5 beim Einleiten des ersten Gases 5 in das dritte Volumen 10 des Befeuchters 4. Hier wird im Befeuchter 4 daher Feuchtigkeit vom zweiten Gas 6 im vierten Volumen 11 auf das erste Gas 5 im dritten Volumen 10 übertragen. Die Wasseraustauschmembran 12 ist für Gase nicht permeabel, so dass im Befeuchter 4 keine Durchmischung des ersten Gases 5 mit dem zweiten Gas 6 stattfindet.
Es hat sich gezeigt, dass der Feuchtigkeitsübertrag zwischen den Gasen 5 und 6 im Befeuchter 4 aufgrund der wenigstens teilweisen Angleichung der Temperaturen der Gase 5 und 6 im Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 vor dem Einleiten der Gase 5 und 6 in den Befeuchter 4 besonders effizient ist. Zum Übertragen derselben Menge Wassers über die Wasseraustauschmembran 12 kann diese also kleiner ausgeführt sein. Ferner kann die Lebensdauer der Wasseraustauschmembran 12 des Befeuchters 4 durch die vorherige Kühlung des wärmeren der Gase 5 und 6, aufgrund der von der Verdichtung resultierenden Erwärmung üblicherweise des Gases 5, im Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 verlängert werden. Durch die Erwärmung des kälteren der Gase 5 und 6, d.h. meistens des Gases 6, im Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 vor dem Einleiten der Gase 5 und 6 in den Befeuchter 4 kann ferner eine unerwünschte Kondensation der in dem kälteren der Gase 5 und 6 enthaltenen Feuchtigkeit im
Befeuchter 4 unterbunden oder verringert werden. Auch dies trägt zum effizienteren Feuchtigkeitsübertrag über die Wasseraustauschmembran 12 des Befeuchters 4 bei.
Über einen Ausgang IIb des Volumens 11 des Befeuchters 4 wird das zweite Gas 6 aus dem Befeuchter 4 abgeführt. Ein Ausgang 10b des Volumens 10 des Befeuchters 4 ist über eine Leitung mit einem Eingang 2d der Brennstoffzellenanordnung 2 verbunden, insbesondere mit einem Eingang 2d des Reaktionsvolumens 2b. Über diese Leitung wird das erste Gas 5 nach dem Feuchtigkeitsübertrag zwischen dem ersten Gas 5 und dem zweiten Gas 6 im
Befeuchter 4 ausgehend vom Befeuchter 4 in die Brennstoffzellenanordnung 2 eingeleitet und über das Reaktionsvolumen 2b der Elektrode 2a zugeführt. Die Befeuchtung des in die Brennstoffzellenanordnung 2 einzuleitenden ersten Gases 5 im Befeuchter 4 dient unter anderem dazu, ein Austrocknen der hier nicht gezeigten Protonenaustauschmembran der Brennstoffzellenanordnung 2 zu vermeiden, über die der Protonenaustausch zwischen der nicht dargestellten Anode und der Kathode 2a der Brennstoffzellenanordnung 2 erfolgt. Fig. Ib zeigt ein weiteres Gaszu- und -abführsystem 100', das eine Variante des Gaszu- und abführsystems 100 gemäß Fig. la ist. Hier und im Folgenden sind wiederkehrende Merkmale dabei jeweils mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Der Einfachheit halber werden daher nur die Unterschiede zwischen den Systemen 100 und 100' näher erläutert.
Das System 100' gemäß Fig. Ib unterscheidet sich vom System 100 gemäß Fig. la durch eine erste Umgehungsleitung 5.1 zum Führen des ersten Gases 5, über die das erste Gas 5 vor dem Einleiten des ersten Gases 5 in den Gas-Gas- Wärmeübertrager 3 wenigstens teilweise unter Umgehung des Gas-Gas- Wärmeübertragers 3, der Brennstoffzellanordnung 2 und des Befeuchters 4 in einen Auslass des Befeuchters 4 einleitbar ist, der mit dem vierten Volumen 11 des Befeuchters 4 in Fluidverbindung ist. Der Fluss des ersten Gases 5 in der Leitung 5.1 ist durch ein Ventil 51 steuerbar. Zum Unterbinden des Gasflusses in der Leitung 5.1 kann das Ventil 51 vollständig geschlossen werden.
Das System 100' gemäß Fig. Ib unterscheidet sich vom System 100 gemäß Fig. la ferner durch eine zweite Umgehungsleitung 5.2 zum Führen des ersten Gases 5, über die das erste Gas 5 vor dem Einleiten des ersten Gases 5 in den Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 wenigstens teilweise unter Umgehung des Gas- Gas-Wärmeübertragers 3 und des Befeuchters 4 in die Brennstoffzellenanordnung 2 einleitbar ist, insbesondere über den Eingang 2d der Brennstoffzellenanordnung 2. Der Fluss des ersten Gases 5 in der Leitung 5.2 ist durch ein Ventil 52 steuerbar. Zum Unterbinden des Gasflusses in der Leitung 5.2 kann das Ventil 52 vollständig geschlossen werden.
Das System 100' gemäß Fig. Ib unterscheidet sich vom System 100 gemäß Fig. la ferner durch eine dritte Umgehungsleitung 5.3 zum Führen des ersten Gases 5, über die das erste Gas 5 vor dem Einleiten des ersten Gases 5 in den Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 wenigstens teilweise unter Umgehung des Gas- Gas-Wärmeübertragers 3 in einen Auslass des Gas-Gas-Wärmeübertragers 3 einleitbar ist, insbesondere in einen Auslass des ersten Volumens 7. Der Fluss des ersten Gases 5 in der Leitung 5.3 ist durch ein Ventil 53 steuerbar. Zum Unterbinden des Gasflusses in der Leitung 5.3 kann das Ventil 53 vollständig geschlossen werden. Das System 100' gemäß Fig. lb unterscheidet sich vom System 100 gemäß Fig. la ferner durch eine vierte Umgehungsleitung 5.4 zum Führen des ersten Gases 5, über die das erste Gas 5 nach dem Auslassen des ersten Gases 5 aus dem Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 und vor dem Einleiten des ersten Gases 5 in den Befeuchter 4 wenigstens teilweise unter Umgehung des Befeuchters 4 in die Brennstoffzellenanordnung 2 einleitbar ist, insbesondere über den Eingang 2d der Brenstoffzellenanordnung 2. Der Fluss des ersten Gases 5 in der Leitung 5.4 ist durch ein Ventil 54 steuerbar. Zum Unterbinden des Gasflusses in der Leitung 5.4 kann das Ventil 54 vollständig geschlossen werden.
Das System 100' gemäß Fig. lb unterscheidet sich vom System 100 gemäß Fig. la darüber hinaus durch eine fünfte Umgehungsleitung 5.5 zum Führen des ersten Gases 5, über die das erste Gas 5 nach dem Auslassen des ersten Gases aus dem Befeuchter 4 und vor dem Einleiten des ersten Gases in den Gas-Gas- Wärmeübertrager 3wenigstens teilweise unter Umgehung der Brennstoffzel- len-anordnung 2 in eine aus der Brennstoffzellenanordung 2 austretende Leitung einleitbar ist. Der Fluss des ersten Gases 5 in der Leitung 5.5 ist durch ein Ventil 55 steuerbar. Zum Unterbinden des Gasflusses in der Leitung 5.5. kann das Ventil 55 vollständig geschlossen werden.
Das System 100' gemäß Fig. lb unterscheidet sich vom System 100 gemäß Fig. la ferner durch eine erste Umgehungsleitung 6.1 zum Führen des zweiten Gases 6, über die das zweite Gas 6 nach dem Auslassen des zweiten Gases 6 aus der Brennstoffzellenanordnung 2 und vor dem Einleiten des zweiten Gases 6 in den Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 wenigstens teilweise unter Umgehung des Gas-Gas-Wärmeübertragers 3 und des Befeuchters 4 in einen Aus- lass des Befeuchters 4 einleitbar ist, insbesondere in einen Auslass des vierten Volumens 11. Der Fluss des zweiten Gases 6 in der Leitung 6.1 ist durch ein Ventil 61 steuerbar. Zum Unterbinden des Gasflusses in der Leitung 6.1 kann das Ventil 61 vollständig geschlossen werden.
Das System 100' gemäß Fig. lb unterscheidet sich vom System 100 gemäß Fig. la ferner durch eine zweite Umgehungsleitung 6.2 zum Führen des zweiten Gases 6, über die das zweite Gas 6 nach dem Auslassen des zweiten Gases 6 aus der Brennstoffzellenanordnung 2 und vor dem Einleiten des zweiten Gases 6 in den Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 wenigstens teilweise unter Umge- hung des Gas-Gas-Wärmeübertragers 3 in einen Auslass des Gas-Gas- Wärmeübertragers 3 einleitbar ist, insbesondere in einen Auslass des zweiten Volumens 8. Der Fluss des zweiten Gases 6 in der Leitung 6.2 ist durch ein Ventil 62 steuerbar. Zum Unterbinden des Gasflusses in der Leitung 6.2 kann das Ventil 62 vollständig geschlossen werden.
Das System 100' gemäß Fig. lb unterscheidet sich vom System 100 gemäß Fig. la ferner durch eine dritte Umgehungsleitung 6.3 zum Führen des zweiten Gases 6, über die das zweite Gas 6 nach dem Auslassen des zweiten Gases 6 aus dem Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 und vor dem Einleiten des zweiten Gases 6 in den Befeuchter 4 wenigstens teilweise unter Umgehung des
Befeuchters 4 in einen Auslass des Befeuchters 4 einleitbar ist, insbesondere in einen Auslass des vierten Volumens 11. Der Fluss des zweiten Gases 6 in der Leitung 6.3 ist durch ein Ventil 63 steuerbar. Zum Unterbinden des Gasflusses in der Leitung 6.3 kann das Ventil 63 vollständig geschlossen werden.
Das System 100' gemäß Fig. lb kann eine, mehrere oder alle der Umgehungsleitungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 6.1, 6.2 und 6.3 aufweisen. In Fig. lb sind einander kreuzende Leitungen, die am jeweiligen Kreuzungspunkt miteinander in Fluidverbindung sind, am Kreuzungspunkt explizit durch einen schwarzen Punkt markiert. Einander kreuzende Leitungen, die am Kreuzungspunkt nicht mit einem schwarzen Punkt markiert sind, sind am Kreuzungspunkt nicht in Fluidverbindung miteinander.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Gaszu- und -abführsystem 200. Das System 200 gemäß Fig. 2 unterscheidet sich vom System 100 gemäß Fig. la dadurch, dass das System 200 einen Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertrager 13 aufweist, der dem Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 vorgeschaltet ist. Der Gas-Flüssigkeit- Wärmeübertrager 13 des Systems 200 dient dem Übertragen von Wärme zwischen dem ersten Gas 5 und einem flüssigen Kühlmedium 14 vor dem Einleiten des ersten Gases 5 in den Gas-Gas-Wärmeübertrager 3. Mithilfe des Gas- Flüssigkeit-Wärmeübertragers 13 kann die Temperierung des ersten Gases 5 weiter verbessert werden. Hier dient der Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertrager 13 des Systems 200 dem Kühlen des ersten Gas 5 vor dem Einleiten des ersten Gases 5 in den Gas-Gas-Wärmeübertrager 3. Der Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertrager 13 umfasst ein Volumen 18 zum Führen des ersten Gases. Über einen Eingang 13a wird das erste Gas 5 in das Volumen 18 eingeleitet, z. B. ausgehend von dem zuvor beschriebenen Gasreservoir. Ein Ausgang 13b des Volumens 18 ist über eine Leitung mit dem Eingang 7a des ersten Volumens 7 des Gas-Gas-Wärmeübertragers 3 verbunden. Im Volumen 18 oder durch das Volumen 18 ist ein Kühlmedium 14 zirkulierbar, so dass im Volumen 18 ein Wärmeübertrag zwischen dem im Volumen 18 geführten ersten Gas 5 und dem Kühlmedium 14 erfolgt.
Bei abgewandelten Ausführungsformen kann der Gas-Flüssigkeit- Wärmeübertrager 13 zusätzlich auch zur Übertragung von Wärme zwischen dem zweiten Gas 6 und dem Kühlmedium 14 ausgebildet sein. Dazu kann der Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertrager 13 z. B. ein weiteres Volumen zum Führen des zweiten Gases 6 aufweisen, in dem oder durch das das Kühlmedium 14 zirkulierbar ist. Das zweite Gas kann z. B. ausgehend von der Brennstoffzellenanordnung 2 in dieses weitere Volumen des Gas-Flüssigkeit- Wärmeübertragers 13 eingeleitet werden und ausgehend von diesem weiteren Volumen des Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertragers 13 in das zweite Volumen 8 des Gas-Gas-Wärmeübertragers 3 eingeleitet werden, wie in Bezug auf das System 100 beschrieben.
Die Ausgestaltung der Brennstoffzellenanordnung 2, des Gas-Gas- Wärmeübertrages 3 und des Befeuchters 4 des Systems 200 und deren fluidische Verbindungen untereinander entsprechen denen des Systems 100 gemäß Fig. la. Insbesondere kann das System 200 optional zusätzlich eine, mehrere oder alle der in Fig. lb dargestellten Umgehungsleitungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5,5, 6.1, 6.2, und 6.3 aufweisen. Ebenso kann das Verfahren zum Führen des ersten Gases 5 an die Elektrode 2a und zum Abführen des zweiten Gases 6 von der Elektrode 2a mit dem System 200 wie in Bezug auf das System 100 gemäß Fig. la beschrieben durchgeführt werden.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Gaszu- und -abführsystem 300. Das Gaszu- und - abführsystem 300 gemäß Fig. 3 unterscheidet sich vom System 200 gemäß Fig. 2 dadurch, dass der Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertrager 13 zwischen den Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 und den Befeuchter 4 geschaltet ist. Der Ausgang 7b des ersten Volumens 7 ist über eine Leitung mit dem Eingang 13a des Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertragers 13 verbunden. Über diese Leitung wird das erste Gas 5 nach dem Wärmeaustausch zwischen dem ersten Gas 5 und dem zweiten Gas 6 im Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 aus dem ersten Volumen 7 des Gas-Gas-Wärmeübertragers 3 in das Volumen 18 des Gas-Flüssigkeit- Wärmeübertragers 13 eingeleitet. Der Ausgang 13b des Gas-Flüssigkeit- Wärmeübertragers 13 ist über eine Leitung mit dem Eingang 10a des dritten Volumens 10 des Befeuchters 4 verbunden. Über diese Leitung wird das erste Gas 5 nach dem Wärmeaustausch zwischen dem ersten Gas 5 und dem Kühlmedium 14 im Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertrager 13 aus dem Volumen 18 des Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertragers 13 in das dritte Volumen 10 des
Befeuchters 4 eingeleitet.
Die Ausgestaltung der Brennstoffzellenanordnung 2, des Gas-Gas- Wärmeübertrages 3 und des Befeuchters 4 des Systems 300 und deren fluidische Verbindungen untereinander entsprechen ansonsten denen des Systems 100 gemäß Fig. la. Insbesondere kann das System 300 optional zusätzlich eine, mehrere oder alle der in Fig. lb dargestellten Umgehungsleitungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 6.1, 6.2, und 6.3 aufweisen. Dabei kann die Umgehungsleitung 5.3 eine Fluidverbindung zwischen dem Eingang 7a des ersten Volumens 7 und dem Ausgang 13b des Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertragers 13 herstellen. Über die Umgehungsleitung 5.3 kann das erste Gas 5 also vor dem Einleiten des ersten Gases 5 in den Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 unter Umgehung des Gas-Gas-Wärmeübertragers 3 und des Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertragers 13 wenigstens teilweise direkt in den Befeuchter 4 eingeleitet werden, insbesondere in das dritte Volumen 10 des Befeuchters 4. Ebenso kann das Verfahren zum Führen des ersten Gases 5 an die Elektrode 2a und zum Abführen des zweiten Gases 6 von der Elektrode 2a mit dem System 300 wie in Bezug auf das System 100 gemäß Fig. la beschrieben durchgeführt werden.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Gaszu- und -abführsystem 400. Das Gaszu- und - abführsystem 400 gemäß Fig. 4 unterscheidet sich vom System 100 gemäß Fig. la durch einen Kompressor 15, der das erste Gas 5 vor dem Einleiten des ersten Gases 5 in den Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 verdichtet, und durch einen Expander 16, der wenigstens einen Teil der Wärmeenergie des zweiten Gases und/oder der kinetischen Energie des zweiten Gases in kinetische Energie des Expanders 16 umwandelt. Durch das Verdichten des ersten Gases 5 vor dem Einleiten des ersten Gases 5 in die Brennstoffzellenanordnung 2 und dem Führen des ersten Gases 5 an die Elektrode 2a kann eine Reaktionsrate der Reaktion zwischen dem ersten Gas 5 und der Elektrode 2a vergrößert werden. Dies kann die Effizienz der Brennstoffzellenanordnung 2 beim Umwandeln von chemischer Energie in elektrische Energie steigern.
Ein Eingang 15a des Kompressors kann z. B. mit dem zuvor beschriebenen Gasreservoir verbunden sein. Ein Ausgang 15b des Kompressors ist über eine Leitung mit dem Eingang 7a des ersten Volumens 7 des Gas-Gas- Wärmeübertragers 3 verbunden. Das erste Gas 5 wird ausgehend vom Kompressor 15 in das erste Volumen 7 des Gas-Gas-Wärmeübertragers 3 eingeleitet. Der Ausgang IIb des vierten Volumens 11 des Befeuchters 4 ist über eine Leitung mit einem Eingang 16a des Expanders 16 verbunden. Das zweite Gas 6 wird nach dem Feuchtigkeitsübertrag zwischen dem ersten Gas 5 und dem zweiten Gas 6 im Befeuchter 4 auf den Expander 16 geleitet.
Der Kompressor 15 kann als Rotationsverdichter mit einem Verdichterrad ausgebildet sein. Der Expander kann eine Turbine aufweisen, die vom zweiten Gas 6 angetrieben wird. Über eine Kopplung 17 zwischen dem Expander 16 und dem Kompressor 15 wird die vom Expander 16 aufgenommene Energie des zweiten Gases 6 wenigstens teilweise auf den Kompressor 15 übertragen und wird so zum Verdichten des ersten Gases 5 im Kompressor genutzt. Die Kopplung 17 kann eine mechanische Kopplung sein, z. B. in Form einer Riemenverbindung zwischen einer Turbine des Expanders 16 und einem
Verdichterrad des Kompressors 15. Die Kopplung 17 kann auch einen Generator zum Umwandeln von kinetischer Energie des Expanders 16 in elektrische Energie umfassen. Diese elektrische Energie kann dann beispielsweise einen Elektromotor antreiben, der seinerseits ein Verdichterrad des Kompressors 15 antreibt.
Hier und im Folgenden kann alternativ oder zusätzlich zum Expander auch ein thermoelektrischer Generator vorgesehen sein, der eingerichtet ist, die Wärmeenergie des zweiten Gases 6 wenigstens teilweise in elektrische Energie umzuwandeln. Der thermoelektrische Generator kann dann über eine elektrische Leitung mit dem Kompressor 15 verbunden sein, so dass die elektrische Energie vom thermoelektrischen Generator an den Kompressor 15 Übertrag- bar ist. Die Verdichtung des ersten Gases 5 durch den Kompressor 15 kann dann wenigstens teilweise mithilfe der vom thermoelektrischen Generator an den Kompressor 15 übertragenen elektrischen Energie vorgenommen werden.
Die Ausgestaltung der Brennstoffzellenanordnung 2, des Gas-Gas- Wärmeübertrages 3 und des Befeuchters 4 des Systems 400 und deren fluidische Verbindungen untereinander entsprechen ansonsten denen des Systems 100 gemäß Fig. la. Insbesondere kann das System 400 optional zusätzlich eine, mehrere oder alle der in Fig. lb dargestellten Umgehungsleitungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 6.1, 6.2, und 6.3 aufweisen. Ebenso kann das Verfahren zum Führen des ersten Gases 5 an die Elektrode 2a und zum Abführen des zweiten Gases 6 von der Elektrode 2a mit dem System 400 wie in Bezug auf das System 100 gemäß Fig. la beschrieben durchgeführt werden.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Gaszu- und -abführsystem 500. Die Ausgestaltung des Kompressors 15, des Expanders 16 und der Kopplung 17 sowie die fluidischen Verbindungen des Kompressors 15 und des Expanders 16 mit dem Gas-Gas- Wärmeübertrager 3 und mit dem Befeuchter 4 sind wie beim System 400 gemäß Fig. 4 realisiert. Die Ausgestaltung des Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertragers 13 sowie die fluidische Verbindung des Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertragers 13 mit dem Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 und mit dem Befeuchter 4 sind wie beim System 300 gemäß Fig. 3 realisiert.
Die Ausgestaltung der Brennstoffzellenanordnung 2, des Gas-Gas- Wärmeübertragers 3 und des Befeuchters 4 des Systems 500 und deren fluidische Verbindungen untereinander entsprechen ansonsten denen des Systems 100 gemäß Fig. la. Insbesondere kann das System 500 optional zusätzlich eine, mehrere oder alle der in Fig. lb dargestellten Umgehungsleitungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 6.1, 6.2, und 6.3 aufweisen. Dabei kann die Umgehungsleitung 5.3 eine Fluidverbindung zwischen dem Eingang 7a des ersten Volumens 7 und dem Ausgang 13b des Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertragers 13 herstellen. Über die Umgehungsleitung 5.3 kann das erste Gas 5 also vor dem Einleiten des ersten Gases 5 in den Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 unter Umgehung des Gas-Gas-Wärmeübertragers 3 und des Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertragers 13 wenigstens teilweise direkt in den Befeuchter 4 eingeleitet werden, insbeson- dere in das dritte Volumen 10 des Befeuchters 4. Ebenso kann das Verfahren zum Führen des ersten Gases 5 an die Elektrode 2a und zum Abführen des zweiten Gases 6 von der Elektrode 2a mit dem System 500 wie in Bezug auf das System 100 gemäß Fig. la beschrieben durchgeführt werden.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Gaszu- und -abführsystem 600. Die Ausgestaltung des Kompressors 15, des Expanders 16 und der Kopplung 17 sowie die fluidische Verbindung des Expanders 16 mit dem Befeuchter 4 sind wie beim System 400 gemäß Fig. 4 realisiert. Die Ausgestaltung des Gas-Flüssigkeit- Wärmeübertragers 13 sowie die fluidische Verbindung des Gas-Flüssigkeit- Wärmeübertragers 13 mit dem Gas-Gas-Wärmeübertrager 3 sind wie beim System 200 gemäß Fig. 2 realisiert. Der Ausgang 15b des Kompressors 15 ist über eine Leitung mit dem Eingang 13a des Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertragers 13 verbunden, so dass das im Kompressor 15 verdichtete erste Gas 5 ausgehend vom Kompressor 15 in den Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertrager 13 und von diesem in das erste Volumen 7 des Gas-Gas-Wärmeübertragers 3 eingeleitet wird.
Die Ausgestaltung der Brennstoffzellenanordnung 2, des Gas-Gas- Wärmeübertrages 3 und des Befeuchters 4 des Systems 600 und deren fluidische Verbindungen untereinander entsprechen ansonsten denen des Systems 100 gemäß Fig. la. Insbesondere kann das System 600 optional zusätzlich eine, mehrere oder alle der in Fig. lb dargestellten Umgehungsleitungen 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 6.1, 6.2, und 6.3 aufweisen. Ebenso kann das Verfahren zum Führen des ersten Gases 5 an die Elektrode 2a und zum Abführen des zweiten Gases 6 von der Elektrode 2a mit dem System 600 wie in Bezug auf das System 100 gemäß Fig. la beschrieben durchgeführt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Gaszu- und -abführsystem (100; 100'; 200; 300; 400; 500; 600), umfassend:
eine Brennstoffzellenanordnung (2) mit wenigstens einer Elektrode
(2a);
einen Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) zum Übertragen von Wärme zwischen einem der Elektrode (2a) zuzuführenden ersten Gas (5) und einem von der Elektrode (2a) abgeführten oder abführbaren zweiten Gas (6); und
einen Befeuchter (4) zum Übertragen von Feuchtigkeit zwischen dem ersten Gas (5) und dem zweiten Gas (6);
wobei die Brennstoffzellenanordnung (2), der Gas-Gas- Wärmeübertrager (3) und der Befeuchter (4) derart ausgebildet sind und derart miteinander in Fluidverbindung sind,
dass das der Elektrode (2a) zuzuführende erste Gas (5) vor dem Führen des ersten Gases (5) an die Elektrode (2a) in den Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) einleitbar ist und dass das zweite Gas (6) zum Übertragen von Wärme zwischen dem ersten Gas (5) und dem zweiten Gas (6) im Gas-Gas- Wärmeübertrager (3) ausgehend von der Elektrode (2a) in den Gas-Gas- Wärmeübertrager (3) einleitbar ist;
dass das erste Gas (5) und das zweite Gas (6) ausgehend vom Gas-Gas- Wärmeübertrager (3) zum Übertragen von Feuchtigkeit zwischen dem ersten Gas (5) und dem zweiten Gas (6) im Befeuchter (4) in den Befeuchter (4) einleitbar sind; und
dass das erste Gas (5) ausgehend vom Befeuchter (4) in die Brennstoffzellenanordnung (2) einleitbar ist und der Elektrode (2a) zuführbar ist.
2. Gaszu- und -abführsystem (100; 100'; 200; 300; 400; 500; 600) nach Anspruch 1,
wobei der Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) ein erstes Volumen (7) zur Führung des ersten Gases (5) und ein zweites Volumen (8) zur Führung des zweiten Gases (6) aufweist, wobei das erste und das zweite Volumen (8) zur Übertragung von Wärme zwischen dem im ersten Volumen (7) führbaren ersten Gas (5) und dem im zweiten Volumen (8) führbaren zweiten Gas (6) in thermischem Kontakt (9) sind; wobei der Befeuchter (4) ein drittes Volumen (10) zur Führung des ersten Gases (5) und ein viertes Volumen (11) zur Führung des zweiten Gases (6) aufweist, wobei das dritte und das vierte Volumen (11) zum Übertragen von Feuchtigkeit zwischen dem im dritten Volumen (10) führbaren ersten Gas (5) und dem im vierten Volumen (11) führbaren zweiten Gas (6) über ein Wasseraustauschelement (12) getrennt sind;
wobei das erste, das zweite, das dritte und das vierte Volumen (11) jeweils einen Eingang (7a, 8a, 10a, IIa) zum Einleiten von Gas in das jeweilige Volumen und einen Ausgang (7b, 8b, 10b, IIb) zum Ableiten von Gas aus dem jeweiligen Volumen aufweisen;
wobei der Eingang (8a) des zweiten Volumens (8) und der Ausgang (10b) des dritten Volumens (10) jeweils in Fluidverbindung mit der Brennstoffzellenanordnung (2) sind;
wobei der Ausgang (7b) des ersten Volumens (7) in Fluidverbindung mit dem Eingang (10a) des dritten Volumens (10) ist; und
wobei der Ausgang (8b) des zweiten Volumens (8) in Fluidverbindung mit dem Eingang (IIa) des vierten Volumens (11) ist.
3. Gaszu- und -abführsystem (100; 100'; 200; 300; 400; 500; 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrode (2a) eine Kathode der Brennstoffzellenanordnung (2) ist.
4. Gaszu- und -abführsystem (200; 300; 500; 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) ein Gas- Flüssigkeit-Wärmeübertrager (13) vorgeschaltet und/oder nachgeschaltet ist, in dem Wärme zwischen dem ersten Gas (5) und/oder dem zweiten Gas (6) und einem flüssigen Kühlmedium (14) übertragbar ist.
5. Gaszu- und -abführsystem (400; 500; 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Kompressor (15) zum Verdichten des ersten Gases (5).
6. Gaszu- und -abführsystem (400; 500; 600) nach Anspruch 5, wobei der Kompressor (15) derart mit dem Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) in Fluidverbindung ist, dass das erste Gas (5) nach der Verdichtung im Kompressor (15) in den Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) einleitbar ist.
7. Gaszu- und -abführsystem (400; 500; 600) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Kompressor (15) oder ein weiterer Kompressor derart mit dem Befeuchter (4) und der Brennstoffzellenanordnung (2) in Fluidverbindung ist, dass das erste Gas (5) nach dem Feuchtigkeitsübertrag im Befeuchter (4) ausgehend vom Befeuchter (4) in den Kompressor (15) oder in den weiteren Kompressor einleitbar ist und nach der Verdichtung im Kompressor (15) oder im weiteren Kompressor ausgehend vom Kompressor (15) oder vom weiteren Kompressor in die Brennstoffzellenanordnung (2) einleitbar ist und der Elektrode (2a) zuführbar ist.
8. Gaszu- und -abführsystem (400; 500; 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Expander (16) oder einem thermoelektrischen Generator zum Umwandeln wenigstens eines Teils der Wärmeenergie des zweiten Gases (6) und/oder der kinetischen Energie des zweiten Gases (6) in kinetische Energie des Expanders (16) bzw. elektrische Energie, wobei der Expander (16) bzw. der thermoelektrische Generator derart mit dem
Befeuchter (4) in Fluidverbindung ist, dass das zweite Gas (6) ausgehend vom Befeuchter (4) dem Expander (16) bzw. dem thermoelektrischen Generator zuführbar ist.
9. Gaszu- und -abführsystem (400; 500; 600) nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
wobei der Expander (16) und der Kompressor (15) und/oder der Expander (16) und der weitere Kompressor derart gekoppelt (17) sind oder koppelbar sind, dass die vom zweiten Gas (6) auf den Expander (16) übertragene Energie wenigstens teilweise zum Verdichten des ersten Gases (5) vom Expander (16) an den Kompressor (15) und/oder an den weiteren Kompressor übertragbar ist und/oder
wobei der thermoelektrische Generator und der Kompressor (15) und/oder der thermoelektrische Generator und der weitere Kompressor elektrisch verbunden sind, so dass die vom zweiten Gas (6) auf den thermoelektrischen Generator übertragene Energie wenigstens teilweise zum Verdichten des ersten Gases (5) vom thermoelektrischen Generator an den Kompressor (15) und/oder an den weiteren Kompressor übertragbar ist.
10. Gaszu- und -abführsystem (100, 100', 200, 300; 400; 500; 600) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, das eine, mehrere oder alle der folgenden Umgehungsleitungen aufweist:
eine erste Umgehungsleitung (5.1) zum Führen des ersten Gases (5), über die das erste Gas (5) vor dem Einleiten des ersten Gases (5) in den Gas-
Gas-Wärmeübertrager (3) wenigstens teilweise unter Umgehung des Gas-Gas- Wärmeübertragers (3) und des Befeuchters (4) in einen Auslass des
Befeuchters (4) einleitbar ist;
eine zweite Umgehungsleitung (5.2) zum Führen des ersten Gases (5), über die das erste Gas (5) vor dem Einleiten des ersten Gases (5) in den Gas-
Gas-Wärmeübertrager (3) wenigstens teilweise unter Umgehung des Gas-Gas- Wärmeübertragers (3) und des Befeuchters (4) in die Brennstoffzellenanordnung (2) einleitbar ist;
eine dritte Umgehungsleitung (5.3) zum Führen des ersten Gases (5), über die das erste Gas (5) vor dem Einleiten des ersten Gases (5) in den Gas-
Gas-Wärmeübertrager (3) wenigstens teilweise unter Umgehung des Gas-Gas- Wärmeübertragers (3) in einen Auslass des Gas-Gas-Wärmeübertragers (3) einleitbar ist;
eine vierte Umgehungsleitung (5.4) zum Führen des ersten Gases (5), über die das erste Gas (5) nach dem Auslassen des ersten Gases (5) aus dem
Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) und vor dem Einleiten des ersten Gases (5) in den Befeuchter (4) wenigstens teilweise unter Umgehung des Befeuchters (4) in die Brennstoffzellenanordnung (2) einleitbar ist;
eine fünfte Umgehungsleitung (5.5) zum Führen des ersten Gases (5), über die das erste Gas (5) nach dem Auslassen des ersten Gases (5) aus dem
Befeuchter (4) und vor dem Einleiten des ersten Gases in den Gas-Gas- Wärmeübertrager (3) wenigstens teilweise unter Umgehung der Brennstoffzellenanordnung (2) in eine aus der Brennstoffzellenanordnung (2) austretende Leitung einleitbar ist;
eine erste Umgehungsleitung (6.1) zum Führen des zweiten Gases (6), über die das zweite Gas (6) nach dem Auslassen des zweiten Gases (6) aus der Brennstoffzellenanordnung (2) und vor dem Einleiten des zweiten Gases (6) in den Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) wenigstens teilweise unter Umgehung des Gas-Gas-Wärmeübertragers (3) und des Befeuchters (4) in einen Auslass des Befeuchters (4) einleitbar ist;
eine zweite Umgehungsleitung (6.2) zum Führen des zweiten Gases (6), über die das zweite Gas (6) nach dem Auslassen des zweiten Gases (6) aus der Brennstoffzellenanordnung (2) und vor dem Einleiten des zweiten Gases (6) in den Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) wenigstens teilweise unter Umgehung des Gas-Gas-Wärmeübertragers (3) in einen Auslass des Gas-Gas- Wärmeübertragers (3) einleitbar ist; und
eine dritte Umgehungsleitung (6.3) zum Führen des zweiten Gases (6), über die das zweite Gas (6) nach dem Auslassen des zweiten Gases (6) aus dem Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) und vor dem Einleiten des zweiten Gases (6) in den Befeuchter (4) wenigstens teilweise unter Umgehung des
Befeuchters (4) in einen Auslass des Befeuchters (4) einleitbar ist.
11. Verfahren zum Führen eines ersten Gases (5) an wenigstens eine Elektrode (2a) einer Brennstoffzellenanordnung (2) und zum Abführen eines zweiten Gases (6) von der wenigstens einen Elektrode (2a), umfassend die Schritte:
Einleiten des der Elektrode (2a) zuzuführenden ersten Gases (5) in einen Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) und Einleiten des von der Elektrode (2a) abgeführten zweiten Gases (6) in den Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) zum Übertragen von Wärme zwischen dem ersten Gas (5) und dem zweiten Gas (6) im Gas-Gas-Wärmeübertrager (3);
ausgehend vom Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) Einleiten des im Gas- Gas-Wärmeübertrager (3) temperierten ersten und zweiten Gases (6) in einen Befeuchter (4) zum Übertragen von Feuchtigkeit zwischen dem ersten Gas (5) und dem zweiten Gas (6) im Befeuchter (4); und
ausgehend vom Befeuchter (4) Führen des im Befeuchter (4) be- oder entfeuchteten ersten Gases (5) an die Elektrode (2a).
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das erste Gas (5) und/oder das zweite Gas (6) in einen Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertrager (13) eingeleitet werden, der Wärme zwischen dem ersten Gas (5) und/oder dem zweiten Gas (6) und einem flüssigen Kühlmedium überträgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das erste Gas (5) und/oder das zweite Gas (6) vor dem Einleiten in den Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) in den Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertrager (13) eingeleitet werden/wird und ausgehend vom Gas-Flüssigkeit-Wärmeübertrager (13) in den Gas-Gas- Wärmeübertrager (3) eingeleitet werden/wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das erste Gas (5) und/oder das zweite Gas (6) nach dem Wärmeübertrag im Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) ausgehend vom Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) in den Gas-Flüssigkeit- Wärmeübertrager (13) eingeleitet werden/wird und ausgehend vom Gas- Flüssigkeit-Wärmeübertrager (13) in den Befeuchter (4) eingeleitet werden/wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das erste Gas
(5) vor dem Führen des ersten Gases (5) an die Elektrode (2a) oder vor dem Einleiten des ersten Gases (5) in den Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) verdichtet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das erste Gas (5) verdichtet wird, nachdem der Feuchtigkeitsübertrag zwischen dem ersten Gas (5) und dem zweiten Gas (6) im Befeuchter (4) erfolgt ist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei das zweite Gas
(6) nach dem Feuchtigkeitsübertrag zwischen dem ersten Gas (5) und dem zweiten Gas (6) im Befeuchter (4) ausgehend vom Befeuchter (4) einem Expander (16) oder einem thermoelektrischen Generator zugeführt wird und die Wärmeenergie des zweiten Gases (6) und/oder die kinetische Energie des zweiten Gases (6) wenigstens teilweise in kinetische Energie des Expanders (16) oder in elektrische Energie umgewandelt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die vom zweiten Gas (6) auf den Expander (16) oder auf den thermoelektrischen Generator übertragene Energie wenigstens teilweise zum Verdichten des ersten Gases (5) vom Expander (16) oder vom thermoelektrischen Generator an den Kompressor (15) und/oder an den weiteren Kompressor übertragen wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, ferner umfassend einen oder mehrere der folgenden Schritte:
vor dem Einleiten des ersten Gases (5) in den Gas-Gas- Wärmeübertrager (3) wenigstens teilweises Umleiten des ersten Gases (5) in einen Auslass des Befeuchters (4);
vor dem Einleiten des ersten Gases (5) in den Gas-Gas- Wärmeübertrager (3) wenigstens teilweises Umleiten des ersten Gases (5) in die Brennstoffzellenanordnung (2);
vor dem Einleiten des ersten Gases (5) in den Gas-Gas- Wärmeübertrager (3) wenigstens teilweises Umleiten des ersten Gases (5) in einen Auslass des Gas-Gas-Wärmeübertragers (3);
nach dem Auslassen des ersten Gases (5) aus dem Gas-Gas- Wärmeübertrager (3) und vor dem Einleiten des ersten Gases (5) in den Befeuchter (4) wenigstens teilweises Umleiten des ersten Gases (5) in die Brennstoffzellenanordnung (2);
nach dem Auslassen des ersten Gases (5) aus dem Befeuchter (4) und vor dem Einleiten des ersten Gases in den Gas-Gas-Wärmeübertrager (3) wenigstens teilweises Umleiten des ersten Gases (5) in eine aus der Brennstoffzellenanordnung (2) austretende Leitung;
vor dem Einleiten des zweiten Gases (6) in den Gas-Gas- Wärmeübertrager (3) wenigstens teilweises Umleiten des zweiten Gases (6) in einen Auslass des Befeuchters (4);
vor dem Einleiten des zweiten Gases (6) in den Gas-Gas- Wärmeübertrager (3) wenigstens teilweises Umleiten des zweiten Gases (6) in einen Auslass des Gas-Gas-Wärmeübertragers (3); und
nach dem Auslassen des zweiten Gases (6) aus dem Gas-Gas- Wärmeübertrager (3) und vor dem Einleiten des zweiten Gases (6) in den Befeuchter (4) wenigstens teilweises Umleiten des zweiten Gases (6) in einen Auslass des Befeuchters (4).
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