WO2019096481A1 - Befeuchtungssystem und brennstoffzellensystem mit einem befeuchtungssystem - Google Patents

Befeuchtungssystem und brennstoffzellensystem mit einem befeuchtungssystem Download PDF

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fuel cell
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Christian Lucas
Oliver Berger
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Audi Ag
Volkswagen Ag
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a humidification system for a fuel cell system. Moreover, the invention relates to a fuel cell system with a humidification system.
  • a fuel cell In order to ensure the fluidity of the membrane separating the cathode from the anode within the fuel cell stack, a fuel cell is to be operated with humidified gas.
  • a humidifier For moistening the cathode gas supplied to the cathode, a humidifier is usually used, in which a water-vapor-permeable membrane separates the cathode gas to be humidified from the moisture-containing cathode exhaust gas.
  • JP 2013/036640 A an introduction of water at the top of a humidifier is provided.
  • This humidifier comprises spiraling turbulence structures in its interior, which swirls the air flowing in from below, thereby resulting in improved moisture absorption.
  • the fuel cell system of US Pat. No. 6,579,637 B1 comprises a swirling structure within a water separator, which causes a separation of water particles in the intake air.
  • This system essentially shows the features of the preamble of claim 1.
  • it is only used to reduce the liquid in the exhaust stream.
  • solutions with an injection nozzle for atomizing the water are known.
  • the introduction of water at the top of a humidifier or the use of injectors can cause problems with the fuel cell system starting to freeze due to ice formation.
  • the injection nozzle is formed from a multiplicity of components, or requires the use of further components or components and is therefore very expensive in terms of apparatus.
  • a moistening system according to claim 1.
  • it has a supply line for the supply of humidified or moistened cathode gas to a heat exchanger.
  • a liquid supply is provided upstream of the liquid supply.
  • a swirl generator for generating turbulence in the flowing cathode gas is arranged.
  • the flow direction of the cathode gas is changed so that it now also gets a speed component in the circumferential direction of the supply line.
  • the absolute cathode gas velocity increases so that a shearing force acts between the bypassing cathode gas and the liquid provided via the liquid supply. Due to the velocity component in the circumferential direction of the pipe of the supply line, the cathode gas flows against the liquid with which it is sucked or pressed into the interior of the supply line. There is an improvement in the transition of the liquid to the cathode gas.
  • the relative humidity in the cathode gas is thereby raised even before it enters cathode chambers of a fuel cell stack or, if present, prior to entry into a humidifier, whereby the humidifier can then be made smaller.
  • the heat exchanger which is formed in particular as a charge air cooler, on a liquid supply side arranged inflow nozzle or a scoop on. Upstream, the liquid inlet and the swirl generator are upstream of the inlet nozzle.
  • Such an arrangement is advantageous because the cathode gas is supplied to the supply line by means of a compressor. Due to the compression, the inflowing cathode gas is very warm, especially at high load points of the compressor, where much liquid water is produced.
  • the cathode gas Due to the elevated temperature of the cathode gas, it can absorb the liquid very well. Upon evaporation of the liquid and the subsequent uptake into the cathode gas, a slight cooling of the cathode gas stream takes place, which allows the use of a smaller heat exchanger or intercooler.
  • the heat exchanger in an alternative embodiment, has an inlet connection or a scoop connected to the supply line, the liquid supply being directly or indirectly connected to the inlet connection.
  • the inflow pipe is arranged at a reduced height in relation to a horizontally arranged center line of the heat exchanger. This results in that the supply line is arranged lowered, which may be necessary due to space requirements. In addition, in many cases, it is not possible to bring it up (i.e., in a direction opposite to the gravitational force) due to the risk of freezing.
  • the liquid supply comprises a liquid pool.
  • a liquid tank prevents the liquid introduced via the liquid feed from flowing immediately into the heat exchanger, and thus into the charge air cooler.
  • Such an accumulation of the liquid would drastically reduce the gas mass flow of the cathode gas passing through the heat exchanger.
  • the point of the fluid pool is therefore that the water does not flow directly from the tube of the supply line into the heat exchanger and accumulates there. In fact, with a heat exchanger, and thus with a charge air cooler, this led to an even lower flow velocity and thus to even lower water discharge.
  • the liquid tank and / or the liquid supply can be attached directly to the supply line or to the inflow neck of the heat exchanger.
  • An advantageous embodiment provides that the liquid tank is formed on the supply line and / or the influence neck itself.
  • the liquid supply can be designed in one piece with the supply line and / or in one piece with the inflow neck of the heat exchanger.
  • a fuel cell system according to claim 8. It comprises a fuel cell stack having cathode spaces and anode spaces, the cathode spaces of which are connected to an inlet and an outlet of a humidifier.
  • an anode supply line is provided which connects a fuel storage with the anode chambers.
  • Anode exit side an anode recirculation line is provided which connects the anode outlet with the anode supply line.
  • the anode recirculation line is associated with a separator, which is preferably formed as a water separator. The separator is connected to the liquid supply via a liquid line.
  • Such a fuel cell system has the advantage that the liquid collected in the anode-side separator can be used to moisten the cathode gas before it is introduced into the actual humidifier.
  • a pre-moistening system for pre-moistening the cathode gas can thus also be seen in the moistening system.
  • liquid line keitsstellglied assigned a liquid or it is arranged in this.
  • This fluid actuator formed as a flap or valve can be controlled or regulated and have different degrees of opening.
  • this fuel actuator may be formed as a valve or a flap that is adjustable or controllable and may have different degrees of opening.
  • the anode supply line between the fuel reservoir and the anode chambers is assigned a heat exchanger or if such is arranged in the anode supply line.
  • the heat exchanger is fluid-mechanically coupled into the anode feed line.
  • this heat exchanger is formed as a recuperator which supplies heat to the fuel by means of the principle of heat conduction.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a humidifier one ends and with a compressor at the other end connected humidification system (block diagram)
  • 2 shows a schematic representation of a fuel cell system with a humidification system according to FIG. 1 (block diagram)
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a humidifier one ends and with a compressor at the other end connected humidification system (block diagram)
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system with a humidification system according to FIG. 1 (block diagram)
  • FIG. 3 shows a schematic view of the detail "A" from FIG. 1 of a first dampening system
  • FIG. 4 is a schematic view of the detail "A" of FIG. 1 of a second dampening system.
  • Fig. 5 is a schematic view of the detail "A" of Fig. 1 of a third moistening system
  • FIG. 6 is a plan view of a swirl generator.
  • FIG. 1 shows a humidification system 1 of a fuel cell system 2, which is merely connected to a humidifier 4 at one end and to a compressor 10 at the other end. It is also possible to connect the humidifying system 1 directly to the cathode compartments of a fuel cell stack 3.
  • the humidifier 4 can be connected to the cathode chambers of the fuel cell stack 3 and comprises a cathode-side outlet 5, via which humidified cathode gas (eg air or oxygen) can be supplied to the cathode chambers and thus to the cathodes of the fuel cell stack 3.
  • humidified cathode gas eg air or oxygen
  • the humidifier 4 has a cathode-side inlet 6, via which humidified cathode exhaust gas can be supplied to the humidifier 4 from the fuel cell stack 3.
  • the humidifier 4 also has an exhaust gas outlet 7 connected to an exhaust gas line 29 and a gas inlet 9 connected to a supply line 8 for cathode gas to be humidified or already (pre-) moistened.
  • the supply line 8 is associated with a compressor 10 or coupled into this fluid mechanically. Cathodic gas is sucked in through the compressor 10, introduced into the supply line 8, and supplied in compressed form to a heat exchanger 13 or to the humidifier 4.
  • a liquid supply 11 is provided upstream of the heat exchanger 13 and downstream of the compressor 10, to pre-wet the cathode gas before it Fuel cell stack 3 or the humidifier 4 is supplied. Due to the compression of the cathode gas by means of the compressor 10, the temperature of the cathode gas increases, so that a larger amount of liquid can accumulate in the cathode gas.
  • the moistening of the cathode gas is additionally improved by an upstream of the liquid feed 11, in the present case by a swirl generator 12 arranged between the compressor 10 and the liquid feed 11.
  • the swirl generator 12 generates turbulences in the flowing cathode gas.
  • the cathode gas flow through the swirl generator 12 receives a velocity component in the vertical direction or in the circumferential direction of the pipe of the supply line 8, whereby the liquid provided by the liquid supply 11 is sheared and mixed with the cathode gas.
  • the cathode gas enriched with the liquid is conducted to the heat exchanger 13, in the present case to a charge air cooler, which has an inflow nozzle 14 arranged on the compressor side or a nozzle arranged on the compressor side.
  • the liquid supply 11 upstream of the inflow pipe 14 of the intercooler or upstream arranged. It is also possible to arrange the liquid supply 11 on the inflow pipe 14 or the scoop of the heat exchanger 13 itself.
  • FIG. 2 shows a fuel cell system 2 with a humidification system 1.
  • the humidifier 4 is connected to its cathode-side outlet 5 via a cathode feed line 24 with cathode spaces of a fuel cell stack 3.
  • the humidifier 4 with its cathode-side inlet 6 is likewise connected to the cathode chambers via a cathode exhaust gas line 26, via which cathode gas or moist cathode exhaust gas which has not reacted is returned to the humidifier 4.
  • the cathode gas is supplied to the cathodes of the plurality of fuel cells arranged in the fuel cell stack 3.
  • Proton-conductive membranes separate the cathodes from the anodes of the fuel cells, with the anodes via anode spaces fuel (eg hydrogen) can be supplied.
  • the anode chambers are connected via an anode feed line 18 to a fuel reservoir 17 which provides the fuel. Via an anode recirculation line 19, unreacted fuel at the anodes can be supplied to the anode chambers again.
  • the anode recirculation is preferably associated with a recirculation blower (not shown in more detail) or fluid-mechanically coupled into the anode recirculation line 19.
  • the anode supply line 18 is assigned a fuel actuator 23 or arranged in the anode supply line 18. This fuel actuator 23 is preferably formed as a pressure regulating valve. Upstream of the pressure regulating valve is provided a heat exchanger 24, preferably in the form of a recuperator for (pre) heating of the fuel.
  • a separator 20 preferably a water separator, is provided in the present case, through which liquid can be collected.
  • the outflow of the separator 20 is connected to a liquid line 21, which connects the separator 20 with the liquid supply 11 of the humidification system 1.
  • the liquid produced on the anode side is used in order to use it on the cathode side for humidification or pre-humidification, provided that a humidifier 4 is used, of the cathode gas.
  • the liquid line 21 is assigned a liquid actuator 22 or coupled into it in a fluid-mechanical manner. This liquid actuator 22 thus enables the preferably controllable supply of the liquid from the separator 20 to the cathode circuit.
  • FIG. 3 shows the detail A from FIG. 1 in a first dampening system 1.
  • the inflow pipe 14 of the heat exchanger 13, in particular of the charge air cooler is arranged at the level of a horizontally arranged center line 15 of the heat exchanger 13.
  • the liquid supply 11 is connected to the supply line 8 substantially in a vertically oriented from below orientation, so that no liquid drips from above into the tube of the supply line 8. Rather, the flow through the liquid Feed 11 provided liquid carried by the flowing past cathode gas due to acting between the liquid and the cathode gas shear forces.
  • upstream of the liquid feed 11 is the swirl generator shown schematically
  • the humidified cathode gas is cooled.
  • the cooled, moist cathode gas can then be fed to the cathode compartments. Alternatively, however, it can also be supplied to the gas inlet 9 for the cathode gas to be humidified at a humidifier 4.
  • the heat exchanger 13 or the intercooler according to FIG. 4 differs from those according to FIG. 3 in that the inflow pipe 14 or its connection piece connected to the feed pipe 8 is arranged at a reduced position in relation to the horizontally arranged centerline 14 of the heat exchanger 13. At the same time, the scoop is asymmetrically shaped. Due to the reduced arrangement, the liquid of the liquid feed 11 does not have to be led upwards so far, which leads to a reduction in the risk of frost. In addition, it can be seen that the swirl generator 12 according to FIG. 4 has a smaller dimension than that according to FIG. 3.
  • FIG. 5 shows an alternative example of the detail A, in which the liquid supply 11 is assigned a liquid tank 16.
  • the basin is formed by a corresponding shaping of the supply line 8, so that the liquid tank 16 is formed on the supply line 8. In other words, therefore, the liquid supply 11 is integrally formed with the supply line 8.
  • the use of the liquid tank 16 makes it possible to enlarge the liquid surface 27, past which the cathode gas flows.
  • the level in the basin or the liquid surface 27 can be varied by the actuation of the liquid actuator 22.
  • the use of the liquid tank 16 also ensures that no liquid accumulates in the region of the scoop of the heat exchanger 13 which contains the heat exchanger
  • the transition from the pool to the supply line 8 and / or the transition to the inflow pipe 14 of the heat exchanger 13 is preferably kink-free, so that a correspondingly flowing transition is formed.
  • the supply line 8 is formed in the region of the basin with a larger cross-section than in its remaining area, so that the cathode gas can exert the greatest possible shearing forces on the liquid in the circumferential direction.
  • FIG. 6 shows a top view of a swirl generator 12, the external dimensions of which are adapted to the internal dimensions of the supply line 8.
  • the swirl generator 12 is rigidly mounted in the pipe of the supply line 8.
  • the swirl generator 12 is in other words formed as a stator. As the cathode gas flows past blades 28 of the swirl generator 12, the cathode gas is swirled and experiences a velocity in the circumferential direction of the supply line 8. This arrangement allows a cathode gas stream to be humidified.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Befeuchtungssystem (1) für ein Brennstoffzellensystem (2) mit einer Zufuhrleitung (8) für die Zuführung von zu befeuchtendem oder befeuchteten Kathodengas an einen Wärmetauscher (13), mit einer Flüssigkeitszufuhr (11), und mit einem stromaufwärts der Flüssigkeitszufuhr (11) angeordneten Drallerzeuger (12) zur Erzeugung von Verwirbelungen im strömenden Kathodengas. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem Befeuchtungssystem.

Description

Befeuchtungssystem und
Brennstoffzellensystem mit einem Befeuchtungssystem
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft ein Befeuchtungssystem für ein Brennstoffzellensystem. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem Befeuchtungssystem. Um die Lettfähigkeit der die Kathode von der Anode trennenden Membran innerhalb des Brennstoffzellenstapels sicherzustellen, ist eine Brennstoffzelle mit befeuchtetem Gas zu betreiben. Für die Befeuchtung des der Kathode zugeführten Kathodengases wird üblicherweise ein Befeuchter verwendet, in welchem eine wasserdampfpermeable Membran das zu befeuchtende Ka- thodengas von dem die Feuchtigkeit enthaltenden Kathodenabgas trennt.
In der JP 2013/036640 A ist eine Einbringung von Wasser an der Oberseite eines Luftbefeuchters vorgesehen. Dieser Luftbefeuchter umfasst spiralförmige Verwirbelungsstrukturen in seinem Inneren, wodurch die von unten ein- strömende Luft verwirbelt wird und dadurch eine verbesserte Feuchtigkeitsaufnahme resultiert.
Das Brennstoffzellensystem der US 6,579.637 B1 umfasst eine Verwirbe- lungsstruktur innerhalb eines Wasserabscheiders, der ein Abscheiden von Wasserpartikeln in angesaugter Luft bewirkt. Dieses System zeigt im Wesentlichen die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Es wird allerdings lediglich dazu verwendet, die Flüssigkeit im Abgasstrom zu reduzieren. Weiterhin sind Lösungen mit einer Einspritzdüse zur Zerstäubung des Was- sers bekannt. Die Einbringung von Wasser an der Oberseite eines Befeuch- ters oder die Verwendung von Einspritzdüsen können allerdings zu Proble- men bei einem Froststart des Brennstoffzellensystems aufgrund von Eisbil- dung führen. Die Einspritzdüse ist zudem aus einer Vielzahl an Komponen- ten gebildet, oder erfordert den Einsatz weiterer Bauteile oder Komponenten und ist daher apparativ sehr aufwendig.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Befeuchtungssys- tem bereitzustellen, welches den Eintrag von Flüssigkeit in das Kathodengas verbessert. Außerdem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Brenn- stoffzellensystem mit einem solchen Befeuchtungssystem bereitzustellen.
Die das Befeuchtungssystem betreffende Aufgabe wird durch ein Befeuch- tungssystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Insbesondere weist es eine Zufuhr- leitung für die Zuführung von zu befeuchtendem oder befeuchteten Katho- dengas an einen Wärmetauscher auf. Außerdem ist eine Flüssigkeitszufuhr vorgesehen. Stromaufwärts der Flüssigkeitszufuhr ist ein Drallerzeuger zur Erzeugung von Verwirbelungen im strömenden Kathodengas angeordnet.
Durch den fluidmechanisch in die Zufuhrleitung eingekoppelten Drallerzeuger wird die Strömungsrichtung des Kathodengases so verändert, dass sie nun- mehr auch eine Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung der Zu- fuhrleitung bekommt. Die absolute Kathodengasgeschwindigkeit nimmt also zu, so dass eine Scherkraft zwischen dem vorbeiströmenden Kathodengas und der Flüssigkeit wirkt, welche über die Flüssigkeitszufuhr bereitgestellt wird. Durch die Geschwindigkeitskomponente in Umfangrichtung des Rohres der Zufuhrleitung strömt das Kathodengas gegen die Flüssigkeit womit sie ins Innere der Zufuhrleitung gesaugt oder gedrückt wird. Es kommt zu einer Verbesserung des Überganges der Flüssigkeit zum Kathodengas. Die relati ve Feuchte im Kathodengas wird dabei bereits vor dem Eintritt in Kathoden- räume eines Brennstoffzellenstapels oder - sofern vorhanden - vor dem Ein- tritt in einen Befeuchter angehoben, wodurch der Befeuchter dann kleiner ausgelegt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Wärmetauscher, der insbe- sondere als ein Ladeluftkühler gebildet ist, einen flüssigkeitszufuhrseitig an- geordneten Einflussstutzen oder eine Hutze auf. Stromaufwärts ist dem Ein- flussstutzen die Flüssigkeitszufuhr und der Drallerzeuger vorgelagert. Eine solche Anordnung ist vorteilhaft, denn das Kathodengas wird der Zufuhrlei- tung mit Hilfe eines Verdichters zugeführt. Aufgrund der Verdichtung ist das einströmende Kathodengas sehr warm, insbesondere bei hohen Lastpunkten des Verdichters, bei denen viel flüssiges Wasser anfällt. Aufgrund der erhöh- ten Temperatur des Kathodengases kann es die Flüssigkeit sehr gut auf- nehmen. Beim Verdampfen der Flüssigkeit und der anschließenden Aufnah- me in das Kathodengas erfolgt eine leichte Abkühlung des Kathoden- gasstromes, was die Verwendung eines kleineren Wärmetauschers bzw. Ladeluftkühlers ermöglicht.
In Abhängigkeit der gestellten Anforderung weist der Wärmetauscher in einer alternativen Ausgestaltung einen mit der Zufuhrleitung verbundenen Ein- flussstutzen oder eine Hutze auf, wobei die Flüssigkeitszufuhr mit dem Ein- flussstutzen direkt oder unmittelbar verbunden ist.
Alternativ oder ergänzend ist der Einflussstutzen gegenüber einer horizontal angeordneten Mittellinie des Wärmetauschers herabgesetzt angeordnet. Dies führt dazu, dass auch die Zufuhrleitung herabgesetzt angeordnet ist, was aufgrund von Bauraumanforderungen notwendig sein kann. Außerdem ist in vielen Fällen ein Hochführen (d.h. in einer Richtung entgegen der Gra- vitationskraft) der Flüssigkeit aufgrund der bestehenden Frostgefahr nicht möglich.
Eine weitere Möglichkeit, die Flüssigkeit ebenfalls nicht nach oben transpor- tieren zu müssen, besteht darin, die Flüssigkeitszufuhr mit der Zufuhrleitung im Wesentlichen in einer vertikal von unten orientierten Ausrichtung zu ver- binden. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Flüssigkeitszufuhr ein Flüssigkeitsbecken umfasst. Durch ein solches Flüssigkeitsbecken wird vermieden, dass die über die Flüssigkeitszufuhr eingebrachte Flüssigkeit sofort in den Wärmetauscher, mithin in den Ladeluftkühler fließt. Durch eine derartige Ansammlung der Flüssigkeit würde der durch den Wärmetauscher tretenden Gasmassenstrom des Kathodengases drastisch reduziert. Sinn des Flüssigkeitsbeckens ist es also, dass das Wasser nicht direkt aus dem Rohr der Zufuhrleitung in den Wärmetauscher strömt und sich dort ansam- melt. Dies führte nämlich bei einem Wärmetauscher, mithin bei einem Lade- luftkühler zu einer noch geringeren Strömungsgeschwindigkeit und somit zu einem noch geringeren Wasseraustrag.
Das Flüssigkeitsbecken und/oder die Flüssigkeitszufuhr kann unmittelbar an die Zufuhrleitung oder auch an den Einflussstutzen des Wärmetauschers angebracht sein. Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht allerdings vor, dass das Flüssigkeitsbecken an der Zufuhrleitung und/oder dem Einflussstutzen selbst ausgebildet ist. Insofern kann also die Flüssigkeitszufuhr einstückig mit der Zufuhrleitung und/oder einstückig mit dem Einflussstutzen des Wär- metauschers gestaltet sein.
Die das Brennstoffzellensystem betreffende Aufgabe wird mit einem Brenn- stoffzellensystem gemäß Anspruch 8 gelöst. Es umfasst einen Kathoden- räume und Anodenräume aufweisenden Brennstoffzellenstapel, dessen Ka- thodenräume mit einem Einlass und einem Auslass eines Befeuchters ver- bunden sind. Außerdem ist eine Anodenzufuhrleitung vorgesehen, die einen Brennstoffspeicher mit den Anodenräumen verbindet. Anodenaustrittsseitig ist eine Anodenrezirkulationsleitung vorgesehen, die den Anodenaustritt mit der Anodenzufuhrleitung verbindet. Der Anodenrezirkulationsleitung ist ein Abscheider zugeordnet, welcher vorzugsweise als ein Wasserabscheider gebildet ist. Der Abscheider ist mit der Flüssigkeitszufuhr über eine Flüssig- keitsleitung verbunden. Ein derartiges Brennstoffzellensystem weist den Vor- teil auf, dass die im anodenseitig angeordneten Abscheider gesammelte Flüssigkeit dazu verwendet werden kann, um das Kathodengas zu befeuch- ten, und zwar bevor es in den eigentlichen Befeuchter eingebracht wird. In diesem Zusammenhang kann in dem Befeuchtungssystem also zugleich ein Vorbefeuchtungssystem zur Vorbefeuchtung des Kathodengases gesehen werden.
Um das Ausmaß der Befeuchtung des Kathodengases regulieren zu können, hat es sich als vorteilhaft erweisen, wenn der Flüssigkeitsleitung ein Flüssig keitsstellglied zugeordnet oder es in dieser angeordnet ist. Dieses als Klappe oder Ventil gebildete Flüssigkeitsstellglied kann steuerbar oder regelbar sein und unterschiedliche Öffnungsgrade aufweisen.
Zur Regulierung des zugeführten Brennstoffes ist es sinnvoll, wenn der Ano- denzufuhrleitung ein Brennstoffstellglied zugeordnet oder in dieser angeord- net ist. Auch dieses Brennstoffstellglied kann als ein Ventil oder eine Klappe gebildet sein, die regelbar oder steuerbar ist und unterschiedliche Öffnungs- grade aufweisen kann.
Um den aus dem Brennstoffspeicher bereit gestellten Brennstoff vorzuerwä- men, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Anodenzufuhrleitung zwi- schen dem Brennstoffspeicher und den Anodenräumen ein Wärmeübertra- ger zugeordnet ist oder wenn ein solcher in der Anodenzufuhrleitung ange- ordnet ist. Mit anderen Worten ist der Wärmeübertrager fluidmechanisch in die Anodenzufuhrleitung eingekoppelt. Vorzugsweise ist dieser Wärmeüber- trager als ein Rekuperator gebildet, der mittels des Prinzips der Wärmelei- tung dem Brennstoff Wärme zuführt.
Im Folgenden wird die Erfindung an in der Zeichnung dargestellten Ausfüh- rungsbeispielen näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines mit einem Befeuchter einen- ends und mit einem Verdichter anderenends verbundenen Befeuch- tungssystem (Blockschaltbild), Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Befeuchtungssystem nach Fig. 1 (Blockschaltbild),
Fig. 3 eine schematische Ansicht des Details„A“ aus Fig. 1 eines ersten Befeuchtungssystem,
Fig. 4 eine schematische Ansicht des Details„A“ aus Fig. 1 eines zweiten Befeuchtungssystems,
Fig. 5 eine schematische Ansicht des Details„A“ aus Fig. 1 eines dritten Befeuchtungssystems, und
Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Drallerzeuger. In Fig. 1 ist ein Befeuchtungssystem 1 eines Brennstoffzellensystems 2 ge- zeigt, das lediglich exemplarisch einenends mit einem Befeuchter 4 und an- derenends mit einem Verdichter 10 verbunden ist. Es ist auch möglich, das Befeuchtungssystem 1 direkt mit den Kathodenräumen eines Brennstoffzel- lenstapels 3 zu verbinden. Vorliegend ist der Befeuchter 4 mit Kathodenräu- men des Brennstoffzellenstapels 3 verbindbar und umfasst einen kathoden- seitigen Auslass 5, über den befeuchtetes Kathodengas (z.B. Luft oder Sau- erstoff) den Kathodenräumen und damit den Kathoden des Brennstoffzellen- stapels 3 zugeführt werden kann. Außerdem weist der Befeuchter 4 einen kathodenseitigen Einlass 6 auf, über den dem Befeuchter 4 feuchtes Katho- denabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 3 zugeführt werden kann. Der Be- feuchter 4 weist außerdem einen mit einer Abgasleitung 29 verbundenen Abgasauslass 7 auf sowie einen mit einer Zufuhrleitung 8 verbundenen Ga- seinlass 9 für zu befeuchtendes oder bereits (vor-)befeuchtetes Kathoden- gas. Der Zufuhrleitung 8 ist ein Verdichter 10 zugeordnet bzw. in diese fluid- mechanisch eingekoppelt. Durch den Verdichter 10 wird Kathodengas ange- saugt, in die Zufuhrleitung 8 eingebracht, und einem Wärmetauscher 13 bzw. dem Befeuchter 4 komprimiert zugeführt. Stromaufwärts des Wärmetau- schers 13 und stromabwärts des Verdichters 10 ist eine Flüssigkeitszufuhr 11 vorgesehen, um das Kathodengas vorzubefeuchten, bevor es dem Brennstoffzellenstapel 3 oder dem Befeuchter 4 zugeleitet wird. Durch die Verdichtung des Kathodengases mittels des Verdichters 10 steigt die Tem- peratur des Kathodengases an, so dass sich eine größere Menge Flüssigkeit im Kathodengas ansammeln kann.
Das Befeuchten des Kathodengases wird durch einen stromaufwärts der Flüssigkeitszufuhr 11 , vorliegend durch einen zwischen dem Verdichter 10 und der Flüssigkeitszufuhr 11 angeordneten Drallerzeuger 12 zusätzlich ver- bessert. Der Drallerzeuger 12 erzeugt Verwirbelungen im strömenden Ka- thodengas. Mit anderen Worten erhält der Kathodengasstrom durch den Drallerzeuger 12 eine Geschwindigkeitskomponente in vertikaler Richtung bzw. in Umfangsrichtung des Rohres der Zufuhrleitung 8, wodurch die durch die Flüssigkeitszufuhr 11 bereitgestellte Flüssigkeit geschert und mit dem Kathodengas durchmischt wird.
Das mit der Flüssigkeit angereicherte Kathodengas wird an den Wärmetau- scher 13, vorliegend an einen Ladeluftkühler, geleitet, welcher einen verdich- terseitig angeordneten Einflussstutzen 14 bzw. eine verdichterseitig ange- ordnete Hutze aufweist. Mit anderen Worten ist also die Flüssigkeitszufuhr 11 dem Einflussstutzen 14 des Ladeluftkühlers vorgelagert oder stromauf- wärts angeordnet. Es ist auch möglich, die Flüssigkeitszufuhr 11 an dem Ein- flussstutzen 14 oder der Hutze des Wärmetauschers 13 selbst anzuordnen.
In Fig. 2 ist ein Brennstoffzellensystem 2 mit einem Befeuchtungssystem 1 gezeigt. Hierbei ist der Befeuchter 4 mit seinem kathodenseitigen Auslass 5 über eine Kathodenzufuhrleitung 24 mit Kathodenräumen eines Brennstoff- zellenstapels 3 verbunden. Außerdem ist der Befeuchter 4 mit seinem katho- denseitigen Einlass 6 ebenfalls mit den Kathodenräumen über eine Katho- denabgasleitung 26 verbunden, über die nicht abreagiertes Kathodengas bzw. feuchtes Kathodenabgas zum Befeuchter 4 rückgeführt wird. Über die Kathodenräume wird das Kathodengas den Kathoden der Mehrzahl an im Brennstoffzellenstapel 3 angeordneten Brennstoffzellen zugeführt. Protonen- leitfähige Membranen trennen die Kathoden von den Anoden der Brennstoff- zellen, wobei den Anoden über Anodenräume Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt werden kann. Die Anodenräume sind über eine Anodenzufuhrlei- tung 18 mit einem den Brennstoff bereitstellenden Brennstoffspeicher 17 verbunden. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 19 kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden. Hierbei wird der Anodenrezirkulation vorzugsweise ein nicht näher darge- stelltes Rezirkulationsgebläse zugeordnet bzw. fluidmechanisch in die Ano- denrezirkulationsleitung 19 eingekoppelt. Zur Regelung der Zufuhr des Brennstoffes ist der Anodenzufuhrleitung 18 ein Brennstoffstellglied 23 zuge- ordnet bzw. in der Anodenzufuhrleitung 18 angeordnet. Dieses Brennstoff- Stellglied 23 ist vorzugsweise als ein Druckregelventil gebildet. Stromauf- wärts des Druckregelventils ist ein Wärmeübertrager 24, vorzugsweise in Form eines Rekuperators zur (Vor-)Erwärmung des Brennstoffes vorgese- hen.
Im Anodenkreislauf ist vorliegend ein Abscheider 20, vorzugsweise ein Was- serabscheider angeordnet, durch den Flüssigkeit angesammelt werden kann. Der Abfluss des Abscheiders 20 ist mit einer Flüssigkeitsleitung 21 verbun- den, die den Abscheider 20 mit der Flüssigkeitszufuhr 11 des Befeuchtungs- systems 1 verbindet. Damit wird also die anodenseitig erzeugte Flüssigkeit dazu verwendet, um sie kathodenseitig für eine Befeuchtung - oder Vorbe- feuchtung, sofern ein Befeuchter 4 Einsatz findet - des Kathodengases zu nutzen. Um die Menge der durch die Flüssigkeitszufuhr 11 bereit gestellte Flüssigkeit einstellen zu können, ist der Flüssigkeitsleitung 21 ein Flüssig- keitsstellglied 22 zugeordnet oder in diese fluidmechanisch eingekoppelt. Dieses Flüssigkeitsstellglied 22 ermöglicht also die, vorzugsweise regelbare Zufuhr der Flüssigkeit aus dem Abscheider 20 zum Kathodenkreislauf.
In Fig. 3 ist das Detail A aus Fig. 1 in eines ersten Befeuchtungssystems 1 gezeigt. Hierbei ist der Einflussstutzen 14 des Wärmetauschers 13, insbe- sondere des Ladeluftkühlers, auf der Höhe einer horizontal angeordneten Mittellinie 15 des Wärmetauschers 13 angeordnet. Die Flüssigkeitszufuhr 11 ist mit der Zufuhrleitung 8 im Wesentlichen in einer vertikal von unten orien- tierten Ausrichtung verbunden, so dass keine Flüssigkeit von oben in das Rohr der Zufuhrleitung 8 eintropft. Vielmehr wird die durch die Flüssigkeits- zufuhr 11 bereitgestellte Flüssigkeit durch das vorbeiströmende Kathoden- gas mitgerissen aufgrund von zwischen der Flüssigkeit und dem Kathoden- gas wirkenden Scherkräfte. Um diese Scherkräfte zu erhöhen, ist stromauf- wärts der Flüssigkeitszufuhr 11 der schematisch dargestellte Drallerzeuger
12 vorgesehen. Dieser verwirbelt den Strom des Kathodengases, so dass noch mehr Flüssigkeit vom vorbeiströmenden Kathodengas mitgenommen wird und in den Einflussstutzen 14 des Wärmetauschers 13 gelangt. Im Wärmetauscher 13 wird das befeuchtete Kathodengas abgekühlt. Das abge- kühlte, feuchte Kathodengas kann dann den Kathodenräumen zugeleitet werden. Alternativ kann es aber auch dem Gaseinlass 9 für zu befeuchten- des Kathodengas an einem Befeuchter 4 zugeführt werden.
Der Wärmetauscher 13 bzw. der Ladeluftkühler nach Fig. 4 unterscheidet sich von denjenigen nach Fig. 3 dadurch, dass der Einflussstutzen 14 bzw. dessen mit der Zufuhrleitung 8 verbundenes Anschlussstück gegenüber der horizontal angeordneten Mittellinie 14 des Wärmetauschers 13 herabgesetzt angeordnet ist. Zugleich ist die Hutze entsprechend asymmetrisch geformt. Durch die herabgesetzte Anordnung muss die Flüssigkeit der Flüssigkeitszu- fuhr 11 nicht so weit nach oben geführt werden, was zu einer Reduzierung der Frostgefahr führt. Außerdem ist zu erkennen, dass der Drallerzeuger 12 nach Fig. 4 eine geringere Abmessung besitzt als derjenige nach Fig. 3.
In Fig. 5 ist ein alternatives Beispiel des Details A gezeigt, bei dem der Flüs- sigkeitszufuhr 11 ein Flüssigkeitsbecken 16 zugeordnet ist. Das Becken ent- steht durch eine entsprechende Ausformung der Zufuhrleitung 8, so dass das Flüssigkeitsbecken 16 an der Zufuhrleitung 8 ausgebildet ist. Mit ande- ren Worten ist also die Flüssigkeitszufuhr 11 einstückig mit der Zufuhrleitung 8 geformt. Durch den Einsatz des Flüssigkeitsbeckens 16 lässt sich die Flüs- sigkeitsoberfläche 27 vergrößern, an der das Kathodengas vorbeiströmt. Der Füllstand im Becken oder die Flüssigkeitsoberfläche 27 lassen sich durch die Betätigung des Flüssigkeitsstellglieds 22 variieren. Der Einsatz des Flüssig- keitsbeckens 16 gewährleistet auch, dass sich keine Flüssigkeit im Bereich der Hutze des Wärmetauschers 13 ansammelt, welche den Wärmetauscher
13 ineffizienter machen würde. Der Übergang vom Becken zur Zufuhrleitung 8 und/oder der Übergang zum Einflussstutzen 14 des Wärmetauschers 13 erfolgt dabei vorzugsweise knickfrei, so dass ein entsprechend fließender Übergang gebildet ist. Die Zufuhrleitung 8 ist im Bereich des Beckens mit einem größeren Querschnitt geformt als in ihrem übrigen Bereich, so dass das Kathodengas in Umfangsrichtung möglichst große Scherkräfte auf die Flüssigkeit ausüben kann.
In Fig. 6 ist eine Draufsicht auf einen Drallerzeuger 12 zu sehen, dessen Aussenabmessungen an die Innenabmessungen der Zufuhrleitung 8 ange- passt ist. Der Drallerzeuger 12 ist starr im Rohr der Zufuhrleitung 8 gelagert. Der Drallerzeuger 12 ist mit anderen Worten als ein Stator gebildet. Beim Vorbeiströmen des Kathodengases an Schaufeln 28 des Drallerzeugers 12 wird das Kathodengas verwirbelt und erfährt eine Geschwindigkeit in Um- fangsrichtung der Zufuhrleitung 8. Durch diese Anordnung lässt sich ein Ka- thodengasstrom befeuchten.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Befeuchtungssystem
2 Brennstoffzellensystem
3 Brennstoffzellenstapel
4 Befeuchter
5 Auslass
6 Einlass
7 Abgasauslass
8 Zufuhrleitung
9 Gaseinlass
10 Verdichter
11 Flüssigkeitszufuhr
12 Drallerzeuger
13 Wärmetauscher
14 Einflussstutzen
15 Mittellinie
16 Flüssigkeitsbecken
17 Brennstoffspeicher
18 Anodenzufuhrleitung
19 Anodenrezirkulationsleitung
20 Abscheider
21 Flüssigkeitsleitung
22 Flüssigkeitsstellglied
23 Brennstoffstellglied
24 Wärmeübertrager
25 Kathodenzufuhrleitung
26 Kathodenabgasleitung
27 Flüssigkeitsoberfläche
28 Schaufeln
29 Abgasleitung

Claims

ANSPRÜCHE:
1. Befeuchtungssystem (1 ) für ein Brennstoffzellensystem (2) mit einer Zufuhrleitung (8) für die Zuführung von zu befeuchtendem oder be- feuchteten Kathodengas an einen Wärmetauscher (13), mit einer Flüs sigkeitszufuhr (11 ), und mit einem stromaufwärts der Flüssigkeitszufuhr (11 ) angeordneten Drallerzeuger (12) zur Erzeugung von Verwirbelun- gen im strömenden Kathodengas.
2. Befeuchtungssystem (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (13) einen flüssigkeitszufuhrseitig angeordne- ten Einflussstutzen (14) aufweist, und dass die Flüssigkeitszufuhr (11 ) dem Einflussstutzen (14) vorgelagert ist.
3. Befeuchtungssystem (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (13) einen mit der Zufuhrleitung (8) verbun- denen Einflussstutzen (14) aufweist, und dass die Flüssigkeitszufuhr (11 ) mit dem Einflussstutzen (14) verbunden ist.
4. Befeuchtungssystem (1 ) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Einflussstutzen (14) gegenüber einer horizontal an- geordneten Mittellinie (15) des Wärmetauschers (4) herabgesetzt an- geordnet ist.
5. Befeuchtungssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitszufuhr (11 ) mit der Zufuhrleitung (8) im Wesentlichen in einer vertikal von unten orientierten Ausrichtung verbunden ist.
6. Befeuchtungssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitszufuhr (11 ) ein Flüssigkeitsbe- cken (16) umfasst.
7. Befeuchtungssystem (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitsbecken (16) an der Zufuhrleitung (8) oder an dem Einflussstutzen (14) des Wärmetauschers (4) ausgebildet ist.
8. Brennstoffzellensystem (2) mit einem Befeuchtungssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Kathodenräume und Anoden- räume aufweisenden Brennstoffzellenstapel (3), dessen Kathodenräu- me mit einem Einlass (6) und einem Auslass (5) eines Befeuchters (4) verbunden sind, mit einer die Anodenräume mit einem Brennstoffspei- eher (17) verbindenden Anodenzufuhrleitung (18), mit einer Anodenre- zirkulationsleitung (19), mit einem der Anodenrezirkulationsleitung (19) zugeordneten Abscheider (20), sowie mit einer den Abscheider (20) mit der Flüssigkeitszufuhr (11 ) verbindenden Flüssigkeitsleitung (21 ).
9. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsleitung (21 ) ein Flüssigkeitsstellglied (22) zuge- ordnet oder in dieser angeordnet ist.
10. Brennstoffzellensystem (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenzufuhrleitung (18) zwischen dem Brennstoffspeicher (17) und den Anodenräumen ein Wärmeübertrager (24) zugeordnet oder in dieser angeordnet ist.
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