WO2018121957A1 - Pem-brennstoffzelle - Google Patents

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WO2018121957A1
WO2018121957A1 PCT/EP2017/081122 EP2017081122W WO2018121957A1 WO 2018121957 A1 WO2018121957 A1 WO 2018121957A1 EP 2017081122 W EP2017081122 W EP 2017081122W WO 2018121957 A1 WO2018121957 A1 WO 2018121957A1
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WO
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process gas
water
fuel cell
gas supply
moistening
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PCT/EP2017/081122
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Inventor
János KANCSÁR
Christoph KÜGELE
Stefan Jakubek
Original Assignee
Avl List Gmbh
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Publication date
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Priority to CA3048938A priority patent/CA3048938A1/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for conditioning at least one process gas, which is supplied to at least one electrochemical converter, in particular a fuel cell, wherein the process gas is moistened with a humectant.
  • the invention relates to a device for conditioning of at least one process gas, which is supplied via at least one process gas supply at least one electrochemical converter, in particular a fuel cell, wherein the at least one process gas supply has a humidification unit, with which a humidifying agent can be introduced into the process gas ,
  • the invention further relates to an energy conversion unit for generating electrical energy from a first hydrogen-containing process gas and a second oxygen-containing process gas in at least one fuel cell, wherein the first process gas via a first process gas supply and the second process gas via a second Prozeßgaszuept- tion of at least one fuel cell is supplied.
  • the process gases (hydrogen and air) must be conditioned.
  • the humidity is also adjusted according to the operating point. The moisture plays a crucial role, since only a water-containing membrane for
  • Hydrogen cations is permeable.
  • high moisture levels are required.
  • water droplets in the gas can block the fine gas channels in the fuel cell, which leads to a shortage of reactants and thereby to reversible and irreversible performance losses (the latter also called degradation).
  • the membrane swells when it absorbs water; when it is dispensed, this process reverses, which causes mechanical stress.
  • cyclical swelling and swelling of the membrane can damage it and, in turn, cause irreversible performance losses and thus degradation.
  • water is atomized as finely as possible via a one- or two-component nozzle and fed directly to the process gas. Again, good dosing is advantageous, but the enthalpy of evaporation must be taken from the process gas itself. That the gas must be superheated to carry enough heat at high relative humidity.
  • the particle evaporation is dependent on the ratio of saturation partial pressure at the particle surface and water vapor partial pressure in the gas. Equilibrium stops evaporation. The formation of water droplets can not or only with great difficulty be avoided.
  • the object of the subject invention is achieved by a method of the type mentioned, in which water is used in the supercritical state as moistening agent. With this method, the relative humidity of the process gases can be set with high control quality and fast response time.
  • the method can be used for all electrochemical converters where the humidification of process gases is required while the formation of droplets is to be avoided.
  • the invention is particularly advantageous for fuel cells such as PEMFC, DMFC, PAFC, AFC, DMFC, SOFC or the like.
  • the process according to the invention is particularly suitable for fuel cells of the Low Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (LT PEMFC) type.
  • the supercritical water introduced into the process gas as humectant may have a specific enthalpy of more than 2800 kJ / kg. In an isenthalpic expansion, this does not form any liquid water, since the corresponding isenthalps run completely outside the wet steam region.
  • the moistening agent can be introduced into a process gas feed via at least one moistening unit having a substantially isenthalp throttle, which may optionally be designed as an injector.
  • a substantially isenthalp throttle which may optionally be designed as an injector.
  • throttle is generally referred to a cross-sectional constriction in a flow channel in connection with the subject description.
  • the throttle may be designed for example as an orifice, nozzle or injector.As the aperture is a hole with non-rounded entrance and a generally conical exit called Nozzle has a varying cross-section over the course of the flow, and an injector is a throttle, orifice or nozzle, which is designed to be closable and whose cross-section is optionally adjustable.
  • the above-mentioned device for conditioning of at least one process gas solves the object according to the invention in that water can be introduced into the process gas as humidifying agent in the supercritical state.
  • the water can, for example, be flowed through a throttle continuously, wherein the amount of inflowing water can be regulated by the pressure.
  • the moistening unit may have an injector opening into the process gas feed.
  • the injection quantity can be precisely metered.
  • the dosage can be implemented in a similar manner as in internal combustion engines with a common rail system.
  • the injection quantity can be metered, for example, by opening and closing times which are intermittent at an opening frequency.
  • the control can be offset in time so that constantly flows in the same amount of humectant.
  • the energy conversion unit according to the invention has a device described above.
  • a plurality of fuel cells can be arranged in at least one cell block in the energy conversion unit, wherein in each case the first process gas supply and / or the second process gas supply can be assigned to a plurality of fuel cells of the cell block.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell with a device according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a cell block 1 1 comprising a plurality of stacked fuel cells and provided with the device according to the invention
  • Fig. 3 shows a T-s diagram for water.
  • the fuel cell 3 shown schematically in FIG. 1 is a PEM fuel cell (English: “Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell - PEMFC”), which is also referred to as “Solid Polymer Fuel Cell - SPFC” or “Polymer Electrolyte Fuel Cell - PEFC” Depending on the electrolyte used, the fuel cell 3 operates in the temperature range from room temperature to about 80 ° C., with short-term temperature peaks of up to 95 ° C.
  • the fuel cell 3 consists essentially of a central proton-conducting membrane 12, on whose first side surface (this is the hydrogen side - shown on the left in FIG. 1) an anode 13 is arranged, and on whose opposite second side surface a cathode 14 is arranged.
  • a first process gas 1 is supplied to the anode 13 via a first process gas feed 6 via a first distribution unit 17 and a first gas diffusion layer 15.
  • the first process gas 1 (educt) is, for example, hydrogen or a hydrogen-containing gas. It is also possible to supply hydrocarbon compounds (ethanol, methanol, methane / natural gas, etc.). For this purpose, an internal (in the fuel cell) or external (as a separate unit) reforming of the hydrocarbon is necessary.
  • a second process gas 2 is supplied to the cathode 14 via a second process gas feed 7 via a second distribution unit 18 and a second gas diffusion layer 16.
  • the second process gas 2 is or contains oxygen.
  • As the second process gas 2 e.g. Air to be used.
  • a first moistening unit 8 is provided at the first process gas feed 6, via which a first moistening agent 4 can be metered into the stream of the first process gas 1.
  • a second humidifying unit 9 is provided, via which a moistening agent 5 can be metered into the flow of the first process gas 1.
  • the first moistening agent 4 and / or second moistening agent 5 uses supercritical water, which can be provided to the moistening units 8, 9 of at least one water treatment unit 24.
  • the water treatment unit 24 brings water to a supercritical state and provides it to the humidification units 8, 9.
  • high purity water is used to prevent contaminants from damaging the fuel cell, or the water treatment unit.
  • the amount of supercritical water released by the humidification units 8, 9 can be determined by means of measuring devices 26, 26 '.
  • the water can also be brought to supercritical status decentrally for each moistening unit.
  • the humectant flows through a throttle 27, 27 'in the respective process gas supply 7, 8, wherein the shape of the throttle 27, 27' can be optimized as needed, for example in the form of an orifice, nozzle or as an injector.
  • the inflow process via the throttle 27, 27 ' can be referred to as essentially isenthalp.
  • the unit of proton-conducting membrane 12, first gas diffusion layer 15, second gas diffusion layer 16, first distribution unit 17 and second distribution unit 18 is referred to as a fuel cell 3 in the context of the present disclosure.
  • a plurality of fuel cells 3 can be combined to form a cell block 1 1, wherein one cell block 1 1 of a plurality of fuel cells 3 forms a common cell block 1 1.
  • same first process gas supply 6 and a common second process gas supply 7 may have.
  • a plurality of fuel cell 3 existing cell block 1 1 is shown schematically.
  • the respective distribution units 17, 18 between two juxtaposed fuel cells 3 are formed in a manner known per se as bipolar plates 19 which have flow grooves on both sides in which the respective process gas 1, 2 is directed to the adjacent gas diffusion layers 15, 16.
  • coolant channels may also run in the bipolar plates 19, but these are not shown in FIG. 2 for the sake of clarity.
  • the second process gas 2 is introduced into the flow grooves 21 extending horizontally in FIG Page are located.
  • the unit of cell block 1 1 with the process gas supply lines 6, 7 and humidification units 8, 9 provided thereon forms an energy conversion unit 10.
  • the throttles of the moistening units 8, 9 are designed as injectors 22, 23, whereby the amount of moistening agent 5 introduced is quickly controllable and scalable.
  • the enthalpy of evaporation is a function of temperature and decreases with increasing temperature.
  • Boiling takes place when the temperature-dependent saturation vapor pressure of the liquid is higher than the pressure of the surrounding gas phase. • In the wet steam area, liquid and gaseous water coexist.
  • the density of supercritical water can be easily determined, so that the dosing of supercritical water is comparable to the dosing of liquid water.
  • the density of supercritical water is approximately between that of liquid and gaseous water, therefore, methods such as the mass flow Coriolis principle can be used to measure better results at higher media density and therefore an advantage of higher density pull.
  • the enthalpy increase to vaporize the water is already “stored” in the internal energy of the supercritical water. In the isenthalpic expansion of the supercritical water into the process gas, this goes directly into the gas phase, the area of the wet steam is avoided.
  • Fig. 3 shows a T-s diagram of water.
  • SSW supercritical state of the water
  • the Ent stress runs along an Isenthalpen 25.
  • Isenthalpen 25 runs completely outside the wet steam area, so that upon the relaxation of the water, i. does not form any liquid water during the transition from the supercritical to the gaseous state of aggregation.
  • water As a supercritical state, generally, the area of the water above the critical point (located in the T-s diagram at the upper point of failure of the wet steam area) is referred to. According to the general definition, water is in the supercritical state when it has a temperature of over 647 K and a pressure of over 22.1 MPa.
  • the regulation of the injection quantity can be carried out in a conventional manner.
  • the control of the injection quantity on a map basis with linear regulators and / or via non-linear model-based control approaches.
  • first humectant 4 second humidifier 5 first process gas supply 6 second process gas supply 7 first humidification unit 8 second humidification unit 9 energy conversion unit 10 cell block 1 1
  • first gas diffusion layer 15 second gas diffusion layer 16 first distribution unit 17 second distribution unit 18 bipolar plate 19

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Konditionierung von zumindest einem Prozessgas (1, 2), welches über zumindest eine Prozessgaszuführung (6, 7) zumindest einem elektrochemischen Wandler, insbesondere einer Brennstoffzelle (3), zugeführt wird. Die Prozessgaszuführung (6, 7) weist eine Befeuchtungseinheit (8, 9) auf, mit welcher ein Befeuchtungsmittel (4, 5) in das Prozessgas (1, 2) einbringbar ist. Als Befeuchtungsmittel (4, 5) ist Wasser im überkritischen Zustand in das Prozessgas (1, 2) einbringbar.

Description

PEM-Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung von zumindest einem Prozessgas, welches zumindest einem elektrochemischen Wandler, insbesondere einer Brennstoffzelle, zugeführt wird, wobei das Prozessgas mit einem Befeuchtungsmittel befeuchtet wird.
Weiters betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Konditionierung von zumindest einem Prozessgas, welches über zumindest eine Prozessgaszuführung zumindest einem elektrochemischen Wandler, insbesondere einer Brennstoffzelle, zugeführt wird, wobei die zumindest einer Prozessgaszuführung eine Befeuchtungseinheit aufweist, mit welcher ein Befeuch- tungsmittel in das Prozessgas einbringbar ist.
Die Erfindung betrifft weiters eine Energieumwandlungseinheit zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem ersten wasserstoffhaltigen Prozessgas und einem zweiten sauerstoffhaltigen Prozessgas in zumindest einer Brennstoffzelle, wobei das erste Prozessgas über eine erste Prozessgaszuführung und das zweite Prozessgas über eine zweite Prozessgaszufüh- rung der zumindest einen Brennstoffzelle zugeführt wird.
Um die Funktionsfähigkeit, Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit von Brennstoffzellen, insbesondere von Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen (LT PEMFC), sicherzustellen müssen die Prozessgase (Wasserstoff und Luft) konditioniert werden. Neben der Temperatur, dem Druck und dem Massenstrom wird auch die Feuchte je nach Betriebspunkt eingestellt. Die Feuchte spielt dabei eine entscheidende Rolle, da nur eine wasserhaltige Membrane für
Wasserstoffkationen durchlässig ist. Um besonders Effizient zu sein sind hohe Feuchtegrade erforderlich. Jedoch können Wassertropfen im Gas die feinen Gaskanäle in der Brennstoffzelle blockieren, was zu einer Unterversorgung mit Reaktanden und dadurch zu reversiblen und irreversiblen Leistungseinbußen (letzteres auch Degradation genannt) führt. Des Weite- ren schwillt die Membrane bei der Aufnahme von Wasser an, bei der Abgabe kehrt sich dieser Prozess um, womit mechanischer Stress verbunden ist. Durch stark veränderte relative Feuchte der Prozessgase können zyklisches ab- und anschwellen der Membrane diese schädigen und wieder irreversible Leistungseinbußen und damit Degradation hervorrufen.
Je nach Anwendung - im Betrieb (in einem Brennstoffzellensystem) oder an einem Prüf- stand - gibt es verschieden Verfahren zur Befeuchtung der Reaktanden. In einem Brennstoffzellensystem werden meist Gas-Gas Membranbefeuchter mit sulfoniertem Tetrafluo- rethylen-Polymer verwendet. Dabei wird das Abgas der Brennstoffzelle getrennt durch eine Teflon-Membrane am Prozessgas vorbei geführt. Über die Membrane werden Temperatur und Feuchte der beiden Gase angeglichen. Dieses Verfahren weist eine langsame An- Sprechzeit und eine schlechte Regelbarkeit auf und eignet sich daher beispielsweise nicht für die Anwendung in einem Prüfstand.
Ein weiteres Verfahren, welches vor allem an stationären Forschungsprüfständen verwendet wird, macht sich einen sogenannten„Bubbler" zu nutzten. Dabei wird das Gas von unten durch einen Behälter mit Wasser geblasen, um das Gas zu befeuchten. Dieses Verfahren eignet sich vor allem dazu, sehr konstante Feuchtebedingungen herzustellen, dynamische Änderungen sind jedoch kaum möglich.
Weitere Verfahren mit besserem Ansprechverhalten und besserer Regelbarkeit, die zumeist für Prüfstände zur Anwendung kommen, sind die Direktverdampfung, die Wassereinsprit- zung und die direkte Einbringung von Wasserdampf. Bei Ersterem wird über einen Massenstrom-Regler Wasser auf eine beheizte Platte gespritzt. Das Wasser verdampft und wird anschließend dem Prozessgas beigemengt. Vorteilhaft ist hier die gute Dosierbarkeit des Wassers da dieses in flüssiger Form beigemengt wird. Jedoch ist die Heizplatte träge und muss je nach Wassermenge mehr oder minder stark beheizt werden. Sollte die Wassermenge zu schnell erhöht werden kann die Platte zu stark abkühlen und das Wasser beginnt sich in der Kammer zu sammeln. Des Weiteren gibt es eine Totzeit zwischen Wassereinspritzung und Dampfzuführung zum Prozessgas, da das flüssige Wasser erst verdampft werden muss.
Bei der Wassereinspritzung wird über eine Ein- oder Zweistoffdüse Wasser möglichst fein zerstäubt und direkt dem Prozessgas zugeführt. Vorteilhaft ist wieder die gute Dosierbarkeit, jedoch muss dem Prozessgas selbst die Verdampfungsenthalpie entnommen werden. D.h. das Gas muss stark überhitzt werden um bei hoher relativer Feuchte genügend Wärme mitzuführen. Zusätzlich ist die Partikelverdunstung vom Verhältnis aus Sättigungspartialdruck an der Partikeloberfläche und Wasserdampfpartialdruck im Gas abhängig. Bei Equilibrium kommt die Verdunstung zum Erliegen. Dabei kann die Bildung von Wassertropfen nicht oder nur sehr schwer vermieden werden.
In einem weiteren Ansatz wird in einem Kessel Wasserdampf erzeugt und dieser wird dann über Ventile dem Prozessgas beigemengt. Vorteilhaft ist die hohe Dynamik und kurze Ansprechzeit, jedoch kann der Wasserdampf nur schwer dosiert werden.
Es sind auch Varianten der zuvor beschriebenen Verfahren bekannt. Vor allem bei dynami- sehen Betriebsbedingungen weisen alle diese Verfahren jedoch Nachteile auf, wobei die Bildung von Wassertropfen oder eine schlechte Regelgüte (Über- bzw. Unterschwinger) der Feuchte zu unvorteilhaften oder schädigenden Betriebsbedingungen für die Brennstoffzelle führen können.
Es ist die Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, diese und weitere Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem als Befeuchtungsmittel Wasser im überkritischen Zustand verwendet wird. Mit diesem Verfahren kann die relative Feuchte der Prozessgase mit hoher Regelgüte und schneller Ansprechzeit eingestellt werden. Das Verfahren kann für alle elektrochemische Wandler verwendet werden, bei denen die Befeuchtung von Prozessgasen erforderlich ist, wobei die Bildung von Tröpfchen vermieden werden soll. Die Erfindung ist insbesondere für Brennstoffzellen, wie etwa vom Typ PEMFC, DMFC, PAFC, AFC, DMFC, SOFC oder ähnlichen, vorteilhaft. Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren für Brennstoffzellen vom Typ Low Temperature Polymer Elektrolyte Membrane Fuel Cell (LT PEMFC).
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das als Befeuchtungsmittel in das Prozessgas eingebrachte überkritische Wasser eine spezifische Enthalpie von über 2800 kJ/kg aufweisen. Bei einer isenthalpen Expansion bildet sich dadurch keinerlei flüssiges Wasser, da die entsprechenden Isenthalpen vollständig außerhalb des Nassdampfgebiets verlaufen.
In vorteilhafter Weise kann das Befeuchtungsmittel über zumindest eine Befeuchtungseinheit mit einer im Wesentlichen isenthalpen Drossel, die gegebenenfalls als Injektor ausgebildet sein kann, in eine Prozessgaszuführung eingebracht werden. Dies ermöglicht eine schnelle und präzise regelbare Einspritzung, wobei die Menge des über die Drossel eingebrachten Befeuchtungsmittels mit einem Massenflussregler sehr präzise ermittelt und geregelt werden kann.
Als„Drossel" wird im Zusammenhang mit der gegenständlichen Beschreibung allgemein eine Querschnittsverengung in einem Strömungskanal bezeichnet. Die Drossel kann beispielsweise als Blende, Düse oder Injektor ausgeführt sein. Als Blende wird ein Loch mit nicht abgerundetem Eingang und einem im Allgemeinen kegelförmigen Ausgang bezeichnet. Eine Düse weist über den Strömungsverlauf einen sich ändernden Querschnitt auf, und ein Injektor ist eine Drossel, Blende oder Düse, die verschließbar ausgeführt ist und deren Querschnitt gegebenenfalls einstellbar ist.
Die eingangs genannte Vorrichtung zur Konditionierung von zumindest einem Prozessgas löst die erfindungsgemäße Aufgabe dadurch, dass als Befeuchtungsmittel Wasser im überkritischen Zustand in das Prozessgas einbringbar ist. Das Wasser kann beispielsweise über eine Drossel stetig einströmen gelassen werden, wobei die Menge des einströmenden Wassers über den Druck geregelt werden kann.
In vorteilhafter Weise kann die Befeuchtungseinheit einen in die Prozessgaszuführung einmündenden Injektor aufweisen. Dadurch kann die Einspritzmenge genau dosiert werden. Die Dosierung kann in ähnlicher Weise umgesetzt werden, wie dies bei Verbrennungsmotoren mit einem Common-Rail-System erfolgt. Die Einspritzmenge kann beispielsweise durch mit einer Öffnungsfrequenz intermittierende Öffnungs- und Schließzeiten dosiert werden. Um dennoch eine stetige Zufuhr von Befeuchtungsmittel zu gewährleisten, können auch mehrerer Injektoren, die jeweils in dieselbe Prozessgaszuführung einmünden, vorgesehen sein. Die Ansteuerung kann dabei so zeitlich versetzt erfolgen, dass stetig die gleiche Menge an Befeuchtungsmittel einströmt.
Die erfindungsgemäße Energieumwandlungseinheit weist eine obenstehend beschriebene Vorrichtung auf.
In vorteilhafter Weise können in der Energieumwandlungseinheit eine Vielzahl an Brennstoffzellen in zumindest einem Zellblock angeordnet sein, wobei jeweils die erste Prozessgaszuführung und/oder die zweite Prozessgaszuführung einer Vielzahl an Brennstoffzellen des Zellenblocks zugeordnet sein können.
Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt
Fig.1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung versehenen Zellblocks 1 1 aus mehreren gestapelten Brennstoffzellen und
Fig. 3 zeigt ein T-s-Diagramm für Wasser.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 werden die Eigenschaften und der Aufbau einer Brennstoffzel- le 3 einerseits im Allgemeinen, und andererseits spezifisch im Zusammenhang mit der gegenständlichen Erfindung beschrieben.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Brennstoffzelle 3 ist eine PEM-Brennstoffzelle (englisch:„Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell - PEMFC"), die auch als„Solid Polymer Fuel Cell - SPFC" oder„Polymer Electrolyte Fuel Cell - PEFC" bezeichnet wird. Die Brennstoffzel- le 3 arbeitet je nach verwendetem Elektrolyt im Temperaturbereich von Zimmertemperatur bis etwa 80 °C, wobei kurzfristig Temperaturspitzen von bis zu 95°C möglich sind, (Nieder- temperatur-PEMFC bzw. LT-PEMFC) oder 130 bis 200°C (Hochtemperatur-PEMFC bzw. HT-PEMFC). Zwischen HT-PEMFC und LT-PEMFC gibt es noch MT-PEMFC (Mittel Tempe- ratur-PEMFC). Diese arbeitet in Temperaturbereichen von etwa 100 °C - 130°C. Die Über- gänge zwischen diesen Typen von Brennstoffzellen sind jedoch fließend, sodass eine scharfe Abgrenzung nicht immer möglich ist.
Die Brennstoffzelle 3 besteht im Wesentlichen aus einer zentralen protonenleitenden Membran 12, an deren erster Seitenfläche (dies ist die Wasserstoffseite - im Fig. 1 links dargestellt) eine Anode 13 angeordnet ist, und an deren gegenüberliegender zweiter Seitenfläche eine Kathode 14 angeordnet ist. Auf der Seite der Anode 13 wird über eine erste Prozessgaszuführung 6 ein erstes Prozessgas 1 über eine erste Verteileinheit 17 und eine erste Gasdiffusionslage 15 der Anode 13 zugeführt. Das erste Prozessgas 1 (Edukt) ist zum Beispiel Wasserstoff oder ein wasser- stoffhaltiges Gas. Es können auch Kohlenwasserstoffverbindungen (Ethanol, Methanol, Me- than / Erdgas, etc.) zugeführt werden. Dazu ist eine interne (in der Brennstoffzelle) oder externe (als eigene Einheit) Reformierung des Kohlenwasserstoffs notwendig.
Auf der Seite der Katode 14 wird über eine zweite Prozessgaszuführung 7 ein zweites Prozessgas 2 über eine zweite Verteileinheit 18 und eine zweite Gasdiffusionslage 16 der Kathode 14 zugeführt. Das zweite Prozessgas 2 ist oder enthält Sauerstoff. Als zweites Pro- zessgas 2 kann z.B. Luft verwendet werden.
Um das erste Prozessgas 1 zu befeuchten, ist an der ersten Prozessgaszuführung 6 eine erste Befeuchtungseinheit 8 vorgesehen, über die ein erstes Befeuchtungsmittel 4 dosiert in den Strom des ersten Prozessgases 1 eingebracht werden kann. Ebenso ist zur Befeuchtung des zweiten Prozessgases 2 an der zweiten Prozessgaszuführung 7 eine zweite Be- feuchtungseinheit 9 vorgesehen, über die ein Befeuchtungsmittel 5 dosiert in den Strom des ersten Prozessgases 1 eingebracht werden kann.
Als erstes Befeuchtungsmittel 4 und/oder zweites Befeuchtungsmittel 5 wird erfindungsgemäß überkritisches Wasser verwendet, welches den Befeuchtungseinheiten 8, 9 von zumindest einer Wasseraufbereitungseinheit 24 bereitgestellt werden kann. Die Wasseraufberei- tungseinheit 24 bringt Wasser auf einen überkritischen Zustand und stellt es den Befeuchtungseinheiten 8, 9 bereit. Vorzugsweise wird hochreines Wasser verwendet, um zu vermeiden, dass Verunreinigungen die Brennstoffzelle, oder die Wasseraufbereitungseinheit, schädigen. Die Menge des von den Befeuchtungseinheiten 8, 9 abgegebenen überkritischen Wassers kann mittels Messeinrichtungen 26, 26' ermittelt werden. Alternativ zu dieser zent- ralen Wasseraufbereitung kann das Wasser auch dezentral für jede Befeuchtungseinheit auf überkritischen Zustand gebracht werden.
Das Befeuchtungsmittel strömt über eine Drossel 27, 27' in die jeweilige Prozessgaszuführung 7, 8, wobei die Form der Drossel 27, 27' nach Bedarf optimiert sein kann, beispielsweise in Form einer Blende, Düse oder als Injektor. Der Einströmvorgang über die Drossel 27, 27' kann als im Wesentlichen isenthalp bezeichnet werden.
Die Einheit aus protonenleitender Membran 12, erster Gasdiffusionslage 15, zweiter Gasdiffusionslage 16, erster Verteileinheit 17 und zweiter Verteileinheit 18 wird im Zusammenhang mit der gegenständlichen Offenbarung als eine Brennstoffzelle 3 bezeichnet. Wie dies dem Fachmann bewusst ist, können mehrere Brennstoffzellen 3 zu einem Zellenblock 1 1 zusam- mengefasst werden, wobei ein Zellenblock 1 1 aus mehreren Brennstoffzellen 3 eine gemein- same erste Prozessgaszuführung 6 und eine gemeinsame zweit Prozessgaszuführung 7 aufweisen kann.
In Fig. 2 ist ein solcher aus mehreren Brennstoffzellen 3 bestehender Zellenblock 1 1 schematisch dargestellt. Die jeweiligen Verteileinheiten 17, 18 zwischen zwei aneinanderliegen- den Brennstoffzellen 3 sind in an sich bekannter Weise als Bipolarplatten 19 ausgebildet, die an beiden Seiten Strömungsnuten aufweisen, in denen das jeweilige Prozessgas 1 , 2 zu den daneben angeordneten Gasdiffusionslagen 15, 16 geleitet wird. In den Bipolarplatten 19 können gegebenenfalls noch Kühlmittelkanäle verlaufen, diese sind jedoch der Übersichtlichkeit halber in Fig. 2 nicht dargestellt. Das erste Prozessgas 1 wird in die in Fig. 2 von oben nach unten verlaufenden Strömungsnuten 20 eingeleitet, das zweite Prozessgas 2 wird in die in Fig. 2 horizontal verlaufenden Strömungsnuten 21 eingeleitet, die sich an jeder Bipolarplatte 19 an der den vertikalen Strömungsnuten 20 gegenüberliegenden Seite befinden. Die Einheit aus Zellenblock 1 1 mit den daran vorgesehenen Prozessgaszuführungen 6, 7 und Befeuchtungseinheiten 8, 9 bildet eine Energieumwandlungseinheit 10 aus.
Als erstes und zweites Befeuchtungsmittel 4, 5 wird von den beiden Befeuchtungseinheiten 8, 9 erfindungsgemäß überkritisches Wasser in den Strom des jeweiligen Prozessgases eingespritzt. Die Drosseln der Befeuchtungseinheiten 8, 9 sind als Injektoren 22, 23 ausgebildet, wodurch die Menge an eingeleiteten Befeuchtungsmittel 5 schnell regelbar und skalierbar ist.
Beim Befeuchten von Prozessgasen 1 , 2 sind ganz allgemein folgende Bedingungen zu berücksichtigen:
• Flüssigkeiten lassen sich besser dosieren als Gase.
• Beim Phasenübergang vom flüssigen zu gasförmigen Aggregatzustand, als Verdampfung bezeichnet, wird der Umgebung Energie entnommen (endotherme Reakti- on).
• Die Verdampfungsenthalpie ist eine Funktion der Temperatur und nimmt mit steigender Temperatur ab.
• Im kritischen Punkt ist die Verdampfungsenthalpie = 0.
• Verdampfen kann durch Sieden oder Verdunsten stattfinden.
· Verdunstung einer Flüssigkeit findet statt wenn der temperaturabhängige Sättigungsdampfdruck der Substanz im umgebenden Gas höher ist als der aktuelle Partialdruck dieser Substanz im Gas.
• Sieden findet statt wenn der temperaturabhängige Sättigungsdampfdruck der Flüssigkeit höher ist als der Druck der umgebenden Gasphase. • Im Nassdampfgebiet existiert flüssiges und gasförmiges Wasser nebeneinander.
Bei dem gegenständlichen Verfahren wird den Prozessgasen der Brennstoffzelle direkt über einen Injektor 22, 23 überkritisches Wasser (Englisch: Super Critical Water - SCW) beigemengt. Dieses wandelt sich dabei unmittelbar (d.h. ohne dass dazu eine Enthalpieänderung erforderlich wäre) in den gasförmigen Zustand um, ohne dass sich dabei flüssiges Wasser, z.B. in Form von Wassertröpfchen, bilden würde.
Dabei werden zwei Umstände genutzt: Erstens lässt sich die Dichte von überkritischem Wasser einfach ermitteln, sodass die Dosierbarkeit von überkritischem Wasser mit der Do- sierbarkeit von flüssigem Wasser vergleichbar ist. Die Dichte von überkritischem Wasser liegt etwa zwischen der von flüssigem und der von gasförmigen Wasser, daher können zur Messung Verfahren, wie zum Beispiel das massenstrombestimmende Coriolis-Prinzip, verwendet werden, welche bei höherer Mediendichte bessere Messergebnisse erzielen und daher einen Vorteil aus der höheren Dichte ziehen.
Zweitens ist die Enthalpieerhöhung zur Verdampfung des Wassers bereits in der inneren Energie des überkritischen Wassers "gespeichert". Bei der isenthalpen Entspannung des überkritschen Wassers in das Prozessgas geht dieses direkt in die Gasphase über, der Bereich des Nassdampfes wird vermieden.
Diese isenthalpe Entspannung ist in Fig. 3, die einT-s-Diagramm von Wasser zeigt, dargestellt. Ausgehend von einem überkritischen Zustand des Wassers (SCW) verläuft die Ent- Spannung entlang einer Isenthalpen 25. Bei einer Enthalpie von etwa über 2800 kJ/kg verläuft diese Isenthalpe 25 vollständig außerhalb des Nassdampfgebiets, sodass sich bei der Entspannung des Wassers, d.h. beim Übergang vom überkritischen zum gasförmigen Aggregatszustand keinerlei flüssiges Wasser bildet.
Als überkritischer Zustand wird allgemein der Bereich des Wassers oberhalb des kritischen Punkts (der sich im T-s-Diagramm am oberen Scheitepunkt des Nassdampfgebiets befindet) bezeichnet. Gemäß allgemeiner Definition befindet sich Wasser im überkritischen Zustand, wenn es eine Temperatur von über 647 K und einen Druck von über 22,1 MPa aufweist.
Die Regelung der Einspritzmenge kann in herkömmlicher Weise erfolgen. Beispielsweise kann die Regelung der Einspritzmenge auf Kennfeldbasis, mit linearen Reglern und/oder über nichtlineare modelbasierte Regelansätze erfolgen. Bezugszeichen:
erstes Prozessgas 1 zweites Prozessgas 2
Brennstoffzelle 3
erstes Befeuchtungsmittel 4 zweites Befeuchtungsmittel 5 erste Prozessgaszuführung 6 zweite Prozessgaszuführung 7 erste Befeuchtungseinheit 8 zweite Befeuchtungseinheit 9 Energieumwandlungseinheit 10 Zellblock 1 1
protonenleitende Membran 12 Anode 13
Kathode 14
erste Gasdiffusionslage 15 zweite Gasdiffusionslage 16 erste Verteileinheit 17 zweite Verteileinheit 18 Bipolarplatte 19
Strömungsnut 20, 21
Injektor 22, 23
Wasseraufbereitungseinheit 24 Isenthalpe 25
Messeinrichtung 26, 26' Drossel 27, 27'

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Konditionierung von zumindest einem Prozessgas (1 ,2), welches zumindest einem elektrochemischen Wandler, insbesondere einer Brennstoffzelle (3), zugeführt wird, wobei das Prozessgas (1 ,2) mit einem Befeuchtungsmittel (4, 5) befeuchtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Befeuchtungsmittel (4, 5) Wasser im überkritischen Zustand verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das als Befeuchtungsmittel (4, 5) in das Prozessgas (1 ,2) eingebrachte überkritische Wasser eine spezifische Enthalpie von über 2800 kJ/kg aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Befeuchtungsmittel (4,5) über zumindest eine Befeuchtungseinheit (8, 9) mit einer im Wesentlichen isenthalpen Drossel (27, 27'), die gegebenenfalls als Injektor (22, 23) ausgebildet ist, in eine Prozessgaszuführung (6,7) eingebracht wird.
4. Vorrichtung zur Konditionierung von zumindest einem Prozessgas (1 ,2), welches über zumindest eine Prozessgaszuführung (6, 7) zumindest einem elektrochemischen
Wandler, insbesondere einer Brennstoffzelle (3), zugeführt wird, wobei die zumindest einer Prozessgaszuführung (6, 7) eine Befeuchtungseinheit (8, 9) aufweist, mit welcher ein Befeuchtungsmittel (4, 5) in das Prozessgas (1 , 2) einbringbar ist dadurch gekennzeichnet, dass als Befeuchtungsmittel (4, 5) Wasser im überkritischen Zustand in das Prozessgas (1 ,2) einbringbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtungseinheit (8,9) einen in die Prozessgaszuführung (6, 7) einmündenden Injektor aufweist.
6. Energieumwandlungseinheit (10) zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem wasserstoffhaltigen ersten Prozessgas (1 ) und einem sauerstoffhaltigen zweiten Prozessgas (2) in zumindest einer Brennstoffzelle (3), wobei das erste Prozessgas (1 ) über eine erste Prozessgaszuführung (6) und das zweite Prozessgas (2) über eine zweite Prozessgaszuführung (7) der zumindest einen Brennstoffzelle (3) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieumwandlungseinheit (10) eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5 aufweist.
7. Energieumwandlungseinheit (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl an Brennstoffzellen (3) in zumindest einem Zellblock (1 1 ) angeordnet ist, wobei jeweils die erste Prozessgaszuführung (6) und/oder die zweite Prozessgaszuführung (7) einer Vielzahl an Brennstoffzellen (3) des Zellenblocks (1 1 ) zugeordnet sind.
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