WO2022073054A1 - Evaporator device for a fuel cell system - Google Patents

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WO2022073054A1
WO2022073054A1 PCT/AT2021/060366 AT2021060366W WO2022073054A1 WO 2022073054 A1 WO2022073054 A1 WO 2022073054A1 AT 2021060366 W AT2021060366 W AT 2021060366W WO 2022073054 A1 WO2022073054 A1 WO 2022073054A1
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David REICHHOLF
Franz KOBERG
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Avl List Gmbh
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Definitions

  • the fuel cell system is designed in particular as a reversibly operable fuel cell system. i.e. this can be operated both in fuel cell operation and in electrolysis operation.
  • the collection container has at least one additional heating device for evaporating liquid residual water in the collection container.
  • the total amount of heat from all the hot process streams is not sufficient to provide the required amount of steam in the gaseous phase.
  • liquid residual water gets into the collection container.
  • an additional heating device can be provided here, preferably directly in the collection container. This additional heating device can be switched on and can be switched on either qualitatively and/or quantitatively as required.
  • the auxiliary heating device can be an electrical auxiliary heating device.
  • liquid water flows upwards from the feed section through the evaporator strands.
  • This orientation does not necessarily have to be vertical, but it is sufficient if the direction of gravity is oriented at an angle, in particular at an acute angle, to the conveying direction.
  • a phase separation preferably takes place automatically in the evaporator section, and correspondingly liquid water remains in the evaporator strands until it has either been conducted into the collection container by the corresponding pumping action or has been evaporated by introducing the heat from the hot process exhaust gases.

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Abstract

The present invention relates to an evaporator device (10) for a fuel cell system (100), comprising: - a feed portion (20) for feeding water; - an evaporator portion (30) having a dividing device (40) for dividing the fed water from the feed portion (30) among a first evaporator line (50) having a cold heat exchanger side (KWT) of a first heat exchanger (52) and at least one second evaporator line (60) having a cold heat exchanger side (KWT) of a second heat exchanger (62); - a collecting container (70) connected, for fluid communication, to the first evaporator line (50) and to the at least one second evaporator line (60), for catching at least partially evaporated water; and - a discharge portion (80) for discharging water vapor from the collecting container (70); wherein the first heat exchanger (52) has a hot heat exchanger side (HWT) and the second heat exchanger (62) has a hot heat exchanger side (HWT) for conducting different hot process flows of the fuel cell system (100).

Description

Verdampfervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem Evaporator device for a fuel cell system
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdampfervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Verdampfervorrichtung sowie ein Verfahren für die Kontrolle eines Verdampfungsvorgangs mittels einer Verdampfervorrichtung. The present invention relates to an evaporator device for a fuel cell system, a fuel cell system with such an evaporator device, and a method for controlling an evaporation process using an evaporator device.
Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme die Möglichkeit vorsehen, Energie im System zurückzugewinnen. Dies gilt insbesondere für ein Brennstoffzellensystem im Elektrolysebetrieb, welches bei dem Elektrolysebetrieb erwärmte Prozessabgase erzeugt. Um die Wärmerückgewinnung im Brennstoffzellensystem zu gewährleisten, sind üblicherweise Wärmetauscher vorgesehen, welche in der Lage sind, die Abwärme in den Prozessabgasen in den Prozess zurückzuführen. Insbesondere werden die Prozessabgase verwendet, um Zuführgase im Brennstoffzellensystem vorzuwärmen und/oder zu verdampfen. Fuel cell systems are known to provide the ability to recover energy in the system. This applies in particular to a fuel cell system in electrolysis mode, which generates heated process exhaust gases during electrolysis mode. In order to ensure heat recovery in the fuel cell system, heat exchangers are usually provided, which are able to return the waste heat in the process exhaust gases to the process. In particular, the process exhaust gases are used to preheat and/or vaporize feed gases in the fuel cell system.
Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass die benötige Wärmemenge für die einzelnen Zuführgase nur selten mit der beinhalteten Wärmemenge in den Abgasen übereinstimmt. So übersteigt teilweise der Wärmebedarf z. B. für ein Verdampfen von Wasser in einem Zuführgas, die Menge an Wärme, welche in einem einzelnen Prozessabgas enthalten ist. Dies führt dazu, dass auch bei maximalen Abkühlen eines solchen einzelnen Prozessabgases die übertragene Wärme nicht ausreichen würde, um die benötige Verdampfungsenthalpie vollständig zur Verfügung zu stellen. Bei bekannten Lösungen wird daher entweder ein zusätzliches Nachheizen notwendig, oder aber es wird ein Prozessstrom verwendet, welche deutlich heißer ist und/oder mehr Wärmeinhalt hat, als eigentlich benötigt. In letzterem Fall würde aber der heiße Prozessstrom mit entsprechender Restwärme an die Umgebung abgegeben werden, so dass ein Wärmeverlust aus dem System entsteht. A disadvantage of the known solutions is that the amount of heat required for the individual supply gases only rarely corresponds to the amount of heat contained in the exhaust gases. In some cases, the heat demand exceeds e.g. B. for evaporation of water in a feed gas, the amount of heat contained in a single process exhaust gas. As a result, even with maximum cooling of such an individual process exhaust gas, the transferred heat would not be sufficient to fully provide the required enthalpy of vaporization. In the case of known solutions, either additional post-heating is therefore necessary, or a process flow is used which is significantly hotter and/or has more heat content than is actually required. In the latter case, however, the hot process stream would be released into the environment with the corresponding residual heat, resulting in heat loss from the system.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise, ein möglichst energiesparendes Verdampfen durch Wärmerückgewinnung in einem Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen. Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Verdampfervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bzgl. der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. It is the object of the present invention to at least partially eliminate the disadvantages described above. In particular, it is the object of the present invention, in a cost-effective and simple manner, to provide vaporization that saves as much energy as possible by heat recovery in a fuel cell system. The above object is achieved by an evaporator device having the features of claim 1, a fuel cell system having the features of claim 10 and a method having the features of claim 12. Further features and details of the invention result from the dependent claims, the description and the drawings . Features and details that are described in connection with the evaporator device according to the invention also apply, of course, in connection with a fuel cell system according to the invention and the method according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to alternately .
Erfindungsgemäß ist eine Verdampfervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem vorgesehen. Um das Verdampfen durchzuführen, weist die Verdampfervorrichtung einen Zuführabschnitt für die Zufuhr von Wasser auf. Diesem Zuführabschnitt nachgelagert, ist ein Verdampferabschnitt mit einer Aufteilvorrichtung für eine Aufteilung des zugeführten Wassers vom Zuführabschnitt auf einen ersten Verdampferstrang mit einer kalten Wärmetauscherseite eines ersten Wärmetauschers und wenigstens einen zweiten Verdampferstrang mit einer kalten Wärmetauscherseite eines zweiten Wärmetauschers. Weiter ist ein Sammelbehälter vorgesehen in fluidkommunizierender Verbindung mit dem ersten Verdampferstrang und dem wenigsten einen zweiten Verdampferstrang zum Auffangen von wenigstens teilweise verdampftem Wasser. Über einen Abführabschnitt wird Wasserdampf aus dem Sammelbehälter abgeführt. Dabei ist der erste Wärmetauscher mit einer heißen Wärmetauscherseite und der zweite Wärmetauscher ebenfalls mit einer heißen Wärmetauscherseite ausgestattet für die Führung unterschiedlicher, heißer Prozessströme des Brennstoffzellensystems. Die erste Wärmetauscher oder der zweite Wärmetauscher oder beide Wärmetauscher sind insbesondere als Plattenwärmetauscher ausgebildet, wenngleich diese auch als Röhrenwärmetauscher ausgebildet sein können. Ein Wärmeübertrag funktioniert bei Plattenwärmetauschern besonders gut und effizient. According to the invention, an evaporator device for a fuel cell system is provided. In order to carry out the evaporation, the evaporator device has a supply section for supplying water. Downstream of this feed section is an evaporator section with a dividing device for dividing the water supplied from the feed section to a first evaporator line with a cold heat exchanger side of a first heat exchanger and at least one second evaporator line with a cold heat exchanger side of a second heat exchanger. A collection container is also provided in fluid communication with the first evaporator branch and the at least one second evaporator branch for collecting at least partially evaporated water. Water vapor is discharged from the collection container via a discharge section. The first heat exchanger is equipped with a hot heat exchanger side and the second heat exchanger is also equipped with a hot heat exchanger side for conducting different, hot process streams of the fuel cell system. The first heat exchanger or the second heat exchanger or both heat exchangers are designed in particular as plate heat exchangers, although they can also be designed as tubular heat exchangers. Heat transfer works particularly well and efficiently with plate heat exchangers.
Das Brennstoffzellensystem ist dabei insbesondere als reversibel betreibbares Brennstoffzellensystem ausgebildet. D. h. dieses kann sowohl in einem Brennstoffzellenbetrieb als auch in einem Elektrolysebetrieb betrieben werden. The fuel cell system is designed in particular as a reversibly operable fuel cell system. i.e. this can be operated both in fuel cell operation and in electrolysis operation.
Erfindungsgemäß soll also ebenfalls das Problem gelöst werden, dass ein möglichst hoher Anteil an Abwärme aus dem Brennstoffzellensystem in ein Zuführmedium, in diesem Fall Wasserdampf, überführt wird. Einem Brennstoffzellensystem im Elektrolysebetrieb wird flüssiges Wasser zugeführt und verdampft. In verdampfter Form wird der Wasserdampf dem Brennstoffzellenstapel zugeführt, um dort unter Einbringung elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten zu werden. Dabei wird Wasserstoff und Sauerstoff sowie Wärme erzeugt, sodass wasserstoffreiches Gas und sauerstoffreiches Gas den Brennstoffzellstapel in erwärmtem Zustand verlässt. Dabei handelt es sich um die beiden Hauptabgase eines solchen Brennstoffzellensystems, welche auch als Prozessgase in Form von Prozessabgasen oder Prozessströmen bezeichnet werden können. Um nun diese Abwärme in den Prozessabgasen zu nutzen, wird sie zurückgeführt in die heißen Wärmetauscherseiten der beiden Verdampferstränge einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung.According to the invention, the problem should also be solved that the highest possible proportion of waste heat from the fuel cell system in a supply medium, in in this case water vapour. Liquid water is fed to a fuel cell system in electrolysis mode and evaporates. In vaporized form, the water vapor is fed to the fuel cell stack, where it is split into hydrogen and oxygen while introducing electrical energy. This generates hydrogen and oxygen as well as heat, so that hydrogen-rich gas and oxygen-rich gas leave the fuel cell stack in a heated state. These are the two main exhaust gases of such a fuel cell system, which can also be referred to as process gases in the form of process exhaust gases or process streams. In order to use this waste heat in the process waste gases, it is fed back into the hot heat exchanger sides of the two evaporator strands of an evaporator device according to the invention.
Auf Basis der voranstehenden Erläuterung wird ersichtlich, dass für jeden Prozessstrom wenigstens eine eigene und separate heiße Wärmetauscherseite in einem eigenen und separaten Wärmetauscher vorgesehen ist. Somit wird es möglich, jeden Wärmetauscher in jedem Verdampferstrang einzeln und spezifisch auf die vorhandene Wärmemenge in dem zugehörigen spezifischen Prozessstrom einzustellen. Mit anderen Worten ist es möglich, für den Verdampfungsvorgang das in flüssiger Form zugeführte Wasser über die Aufteilvorrichtung auf die beiden Verdampferstränge aufzuteilen. Dabei ist diese Aufteilung sowohl fest einstellbar als auch variierbar je nach Ausgestaltung der Verdampfervorrichtung. Based on the above explanation, it can be seen that for each process stream there is at least one dedicated and separate hot heat exchanger side in a dedicated and separate heat exchanger. This makes it possible to adjust each heat exchanger in each evaporator line individually and specifically to the amount of heat present in the associated specific process stream. In other words, it is possible for the evaporation process to divide the water supplied in liquid form between the two evaporator strands via the dividing device. In this case, this division can be both fixed and variable, depending on the configuration of the evaporator device.
Je nachdem wie aufgeteilt wird, führt dies dazu, dass ein erster Teil des flüssigen Wassers in den ersten Verdampferstrang und dort in die kalte Wärmetauscherseite des ersten Wärmetauschers gelangt. Eine zweite Menge des flüssigen Wassers wird im zweiten Verdampferstrang in die kalte Wärmetaucherseite des zweiten Wärmetauschers eingeführt. Um nun die gewünschte Verdampfungsfunktion zur Verfügung zu stellen, wird in dem jeweiligen Wärmetauscher Abwärme mittels Wärmeübertragung von einem jeweils vorhandenen heißen Prozessstrom des Brennstoffzellensystems übergeben. Auf diese Weise wird das Wasser in dem jeweiligen Verdampferstrang erhitzt und überschreitet insbesondere dessen Siedetemperatur, sodass das Wasser zumindest teilweise dampfförmig den jeweiligen Wärmetauscher verlässt. Das zumindest teilweise verdampfte Wasser wird in einem gemeinsamen Sammelbehälter zusammengeführt und kann von dort über den Abführabschnitt an den Brennstoffzellenstapel in gasförmiger Form weitergeführt werden. Dabei kann der Sammelbehälter sowohl direkt mit jedem einzelnen Verdampferstrang, aber auch mit einem den beiden Verdampfersträngen nachgelagerten Verbindungsabschnitt in fluidkommunizierender Verbindung stehen. In einfachster Ausgestaltung handelt es sich bei dem Sammelbehälter um einen Rohrabschnitt, welcher die beiden Verdampferstränge wieder zusammenführt. Depending on how it is divided, this leads to a first part of the liquid water getting into the first evaporator line and there into the cold heat exchanger side of the first heat exchanger. A second quantity of the liquid water is introduced into the cold heat exchanger side of the second heat exchanger in the second evaporator leg. In order to make the desired evaporation function available, waste heat is transferred in the respective heat exchanger by means of heat transfer from a respectively existing hot process stream of the fuel cell system. In this way, the water is heated in the respective evaporator branch and, in particular, exceeds its boiling temperature, so that the water leaves the respective heat exchanger at least partially in vapor form. The at least partially evaporated water is brought together in a common collection container and can be passed on from there via the discharge section to the fuel cell stack in gaseous form. The collection container can be connected directly to each individual evaporator line, but also are in fluid-communicating connection with a connecting section downstream of the two evaporator strands. In the simplest configuration, the collection container is a pipe section which brings the two evaporator strands together again.
Wie aus der voranstehenden Erläuterung ersichtlich wird, kann nun für jeden Verdampferstrang und das spezifische heiße Prozessgas eine für diese Betriebssituation spezifisch optimierte Wärmeübertragungsstrategie zur Verfügung gestellt werden. Ist beispielsweise der heiße Prozessstrom für den ersten Verdampferstrang mit relativ weniger Wärme ausgestattet und der zweite heiße Prozessstrom für den zweiten Verdampferstrang relativ heiß, so kann z. B .durch ein kontrolliertes Aufteilen die Menge des Wassers in dem zweiten Verdampferstrang größer als im ersten Verdampferstrang gewählt werden. Insbesondere wird diese Aufteilung in quantitativer Weise erfolgen, sodass je nach vorhandener Wärmemenge in dem jeweiligen heißen Prozessstrom an diese vorhandene Wärmemenge angepasste Mengen an flüssigem Wasser in den jeweiligen Verdampferstrang eingeführt werden. As can be seen from the explanation above, a heat transfer strategy specifically optimized for this operating situation can now be made available for each evaporator branch and the specific hot process gas. If, for example, the hot process flow for the first evaporator branch is equipped with relatively less heat and the second hot process flow for the second evaporator branch is relatively hot, z. B. The amount of water in the second evaporator line can be selected to be greater than in the first evaporator line by controlled splitting. In particular, this division is carried out quantitatively, so that depending on the amount of heat present in the respective hot process stream, amounts of liquid water adapted to this amount of heat available are introduced into the respective evaporator branch.
Damit werden verschiedene Vorteile erzielbar. Zum einen ist es möglich, die Wärmemenge in jedem heißen Prozessabgas möglichst maximal auszunutzen und in das flüssige Wasser zum Verdampfen zu übertragen. Zum anderen wird sichergestellt, dass eine maximale Verdampfungsleistung zur Verfügung gestellt wird, also ein Erzeugen von überhitztem Dampf bei gleichzeitigem Überbleiben von flüssigem Wasser unterbunden und vermieden wird. Insbesondere durch ein kontrolliertes Aufteilen, z. B .mit Hilfe einer Ventilvorrichtung, wird es also möglich, die beiden parallel ausgelegten Verdampferstränge intelligent und angepasst mit Wasser zur versorgen und auf diese Weise die Abkühlstrategie für die heißen Prozessabgase und die Verdampfungsstrategie für das Verdampfen des flüssigen Wassers miteinander zu kombinieren und zu optimieren. Grundsätzlich soll zwar überhitzter Dampf zur Verfügung gestellt werden, allerdings soll flüssiges Wasser unbedingt vermieden werden. Various advantages can thus be achieved. On the one hand, it is possible to use the amount of heat in each hot process exhaust gas as much as possible and to transfer it to the liquid water for evaporation. On the other hand, it ensures that maximum evaporation capacity is made available, ie the generation of superheated steam while liquid water remains is prevented and avoided. In particular, by controlled splitting, e.g. B. With the help of a valve device, it is therefore possible to supply the two parallel evaporator lines with water in an intelligent and adapted manner and in this way to combine and optimize the cooling strategy for the hot process exhaust gases and the evaporation strategy for evaporating the liquid water. In principle, superheated steam should be made available, but liquid water should be avoided at all costs.
Selbst bei maximaler Ausnutzung der Abwärme in den heißen Prozessgasen kann es dazu kommen, dass diese nicht ausreicht, um die notwendige Wassermenge für einen aktuellen Betriebspunkt zu verdampfen. Daher ist es möglich, dass im Sammelbehälter eine Phasentrennung stattfindet, um flüssiges Wasser am Weiterführen in den Brennstoffzellenstapel zu hindern. Dieses verbliebene flüssige Wasser kann entweder abgelassen oder nachverdampft werden. Ein solches Nachverdampfen ist z. B. möglich, indem das flüssige Wasser in den Vorlauf zumindest eines der beiden Wärmetauscher rezirkuliert wird. Jedoch ist auch ein elektrisches Nachverdampfen mit einer Zusatzheizvorrichtung, wie sie später noch erläutert wird, im Sinne der vorliegenden Erfindung möglich. Insbesondere können zwangsgeführte Ströme vorgesehen sein, sodass z. B. Pumpvorrichtungen und/oder Regelvorrichtungen, die entsprechend geführten Flüssigkeitsmengen bzw. Gasmengen einstellen können. Eine erfindungsgemäße Verdampfervorrichtung ist dabei insbesondere bei dem sogenannten SOEC-System eingesetzt. Even with maximum utilization of the waste heat in the hot process gases, it can happen that this is not sufficient to evaporate the necessary amount of water for a current operating point. It is therefore possible for phase separation to take place in the collection container in order to prevent liquid water from continuing into the fuel cell stack. This remaining liquid water can either be drained or re-evaporated. Such a post-evaporation is e.g. B. possible by the liquid water is recirculated in the flow of at least one of the two heat exchangers. However, electrical post-evaporation with an additional heating device, as will be explained later, is also possible within the meaning of the present invention. In particular, forcibly guided currents can be provided, so that z. B. pumping devices and / or control devices that can be set according to run amounts of liquid or gas. An evaporator device according to the invention is used in particular in the so-called SOEC system.
Durch die erfindungsgemäße Verdampfervorrichtung ist es insbesondere möglich, alle Abwärme wieder im System selbst zu verwenden. Dies ist für die Systemeffizienz wesentlich und von Vorteil, insbesondere dann, wenn nicht genug Wärme zur Verfügung steht, um die Bedarfe zu decken. Je besser die systeminterne Ausnutzung der Wärme, desto niedriger die zusätzliche Wärmezufuhr von extern und damit besser dann der Wirkungsgrad. Dies wird insbesondere durch die Erfindung erreicht.The evaporator device according to the invention makes it possible, in particular, to reuse all waste heat in the system itself. This is essential for system efficiency and is beneficial, especially when there is not enough heat available to meet demand. The better the system-internal utilization of the heat, the lower the additional heat supply from the outside and thus the better the efficiency. This is achieved in particular by the invention.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung die Aufteilvorrichtung wenigstens eine Kontrollvorrichtung, insbesondere in Form wenigstens eines Ventilmittels aufweist, für eine qualitative und/oder eine quantitative Kontrolle eines Aufteilverhältnisses des Wassers auf die Verdampferstränge. Wie bereits einleitend erläutert worden ist, ist durch die erfindungsgemäße Aufteilmöglichkeit auf spezifische Wärmemengen in die einzelnen Verdampferstränge eine optimierbare Verdampfungsstrategie erzielbar. Sofern eine Kontrollvorrichtung vorgesehen ist, kann dies sowohl qualitativ als auch quantitativ erfolgen, sodass insbesondere sogar ein komplettes Absperren eines einzelnen Verdampferstrangs möglich wird. Bevorzugt sind Ventilvorrichtungen vorgesehen, die eine quantitative Kontrolle dieses Aufteilverhältnisses ermöglichen. Dabei sind einzelne Ventilmittel direkt vor den Wärmetauschern genauso denkbar, wie Mehrwegventile in der Aufteilvorrichtung. Die Anpassung der benötigen Wärmemengen in den einzelnen Verdampfersträngen an die Wärmemengen, welche in den einzelnen spezifischen Prozessströmen im Abgas enthalten sind, bringt die beschriebene Optimierungsmöglichkeit mit sich. Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass der Dampfbedarf eines Brennstoffzellensystems selbstverständlich von dessen Betriebspunkt abhängt. Der Betriebspunkt eines Brennstoffzellensystems im Elektrolysebetrieb ist daher weiterhin insbesondere abhängig von der zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung, welche z. B. beim Anschluss an ein regeneratives Energiesystem stark schwanken kann. Somit wir nicht nur die Verdampferleistung, sondern auch die Regelungsmöglichkeit bei schwankenden Betriebspunkten durch eine erfindungsgemäße Verdampfervorrichtung bei einem Brennstoffzellensystem deutlich verbessert.There can be advantages if the dividing device in an evaporator device according to the invention has at least one control device, in particular in the form of at least one valve means, for qualitative and/or quantitative control of a distribution ratio of the water to the evaporator branches. As has already been explained in the introduction, the possibility of dividing the individual evaporator branches into specific amounts of heat according to the invention makes it possible to achieve an optimization strategy for evaporation. If a control device is provided, this can be done both qualitatively and quantitatively, so that in particular it is even possible to completely shut off an individual evaporator branch. Valve devices are preferably provided which allow quantitative control of this splitting ratio. Individual valve means directly in front of the heat exchangers are just as conceivable as multi-way valves in the dividing device. The adjustment of the required amounts of heat in the individual evaporator strands to the amounts of heat contained in the individual specific process streams in the exhaust gas brings with it the optimization option described. It should also be pointed out that the steam requirement of a fuel cell system naturally depends on its operating point. The operating point of a fuel cell system in electrolysis mode is therefore still particularly dependent on the available electrical power, which z. B. strong when connected to a regenerative energy system can vary. Thus, not only the evaporator performance but also the possibility of regulation in the case of fluctuating operating points is significantly improved by an evaporator device according to the invention in a fuel cell system.
Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung der Sammelbehälter wenigstens eine Zusatzheizvorrichtung aufweist, für ein Verdampfen von flüssigem Restwasser im Sammelbehälter. Wie ebenfalls bereits erläutert worden ist, kann es vorkommen, dass die gesamte Wärmemenge aller heißen Prozessströme nicht ausreicht, um die benötigte Dampfmenge in gasförmiger Phase zur Verfügung zu stellen. In einem solchen Fall gelangt flüssiges Restwasser in den Sammelbehälter. Um dieses nun ebenfalls in Dampf umzusetzen und dem Brennstoffzellenstapel für die Elektrolyse zur Verfügung zu stellen, kann hier eine Zusatzheizvorrichtung vorzugsweise direkt im Sammelbehälter, vorgesehen sein. Diese Zusatzheizvorrichtung ist schaltbar und ist entweder qualitativ und/oder quantitativ bei Bedarf zuschaltbar. Beispielsweise kann es sich bei der Zusatzheizvorrichtung um eine elektrische Zusatzheizvorrichtung handeln. Jedoch sind grundsätzlich auch zusätzliche Wärmetauscher denkbar, welche über andere Wärmequellen die gewünschte Verdampfungsfunktion als Zusatzheizvorrichtung zur Verfügung stellen. Weiter ist es auch möglich, durch Wasserablass und Rezirkulation in den Zuführabschnitt, eine zusätzliche Verdampfungsfunktion für das Restwasser zu gewährleisten.It is also advantageous if, in an evaporator device according to the invention, the collection container has at least one additional heating device for evaporating liquid residual water in the collection container. As has also already been explained, it can happen that the total amount of heat from all the hot process streams is not sufficient to provide the required amount of steam in the gaseous phase. In such a case, liquid residual water gets into the collection container. In order to also convert this into steam and make it available to the fuel cell stack for the electrolysis, an additional heating device can be provided here, preferably directly in the collection container. This additional heating device can be switched on and can be switched on either qualitatively and/or quantitatively as required. For example, the auxiliary heating device can be an electrical auxiliary heating device. However, in principle, additional heat exchangers are also conceivable, which provide the desired evaporation function as an additional heating device via other heat sources. Furthermore, it is also possible to ensure an additional evaporation function for the residual water by water drainage and recirculation in the feed section.
Weitere Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung der erste Wärmetaucher und/oder der zweite Wärmetauscher für einen Gegenstrombetrieb zwischen der jeweiligen kalten Wärmetauscherseite und der jeweiligen heißen Wärmetauscherseite ausgebildet sind. Vorzugsweise sind alle Wärmetauscher im Gegenstrombetrieb ausgelegt. Der Gegenstrombetrieb erlaubt eine höhere Effizienz in der Wärmeübertragung, sodass die erfindungsgemäßen Vorteile mit höherer Effizienz erreicht werden können. Für eine besonders kompakte Bauweise sind die Wärmetauscher vorzugweise als Plattenwärmetauscher ausgebildet. Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung der Zuführabschnitt und/oder der Verdampferabschnitt mit ihrer Strömungsrichtung entgegen oder im Wesentlichen entgegen der Schwerkraftrichtung ausgerichtet sind. Mit anderen Worten strömt flüssiges Wasser vom Zuführabschnitt nach oben durch die Verdampferstränge hindurch. Dabei muss diese Ausrichtung nicht zwingend senkrecht sein, sondern es reicht aus, wenn die Schwerkraftrichtung winklig, insbesondere spitzwinklig gegen die Förderrichtung ausgerichtet ist. Dies führt dazu, dass vorzugsweise automatisch eine Phasentrennung im Verdampferabschnitt stattfindet, und entsprechend flüssiges Wasser so lange in den Verdampfersträngen verbleibt, bis es entweder durch die entsprechende Pumpwirkung in den Sammelbehälter geführt worden ist oder aber durch Einbringen der Wärme aus den heißen Prozessabgasen verdampft worden ist. There are further advantages if, in an evaporator device according to the invention, the first heat exchanger and/or the second heat exchanger are designed for countercurrent operation between the respective cold heat exchanger side and the respective hot heat exchanger side. All heat exchangers are preferably designed in countercurrent operation. The countercurrent operation allows a higher efficiency in the heat transfer, so that the advantages according to the invention can be achieved with higher efficiency. For a particularly compact design, the heat exchangers are preferably designed as plate heat exchangers. It is also advantageous if, in an evaporator device according to the invention, the feed section and/or the evaporator section are aligned with their flow direction opposite or substantially opposite to the direction of gravity. In other words, liquid water flows upwards from the feed section through the evaporator strands. This orientation does not necessarily have to be vertical, but it is sufficient if the direction of gravity is oriented at an angle, in particular at an acute angle, to the conveying direction. This leads to, that a phase separation preferably takes place automatically in the evaporator section, and correspondingly liquid water remains in the evaporator strands until it has either been conducted into the collection container by the corresponding pumping action or has been evaporated by introducing the heat from the hot process exhaust gases.
Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher voneinander thermisch getrennt, insbesondere thermisch isoliert sind. Das Vermeiden von Querübertragung von Wärme zwischen den Wärmetauschern erlaubt es, den Regelungsbedarf bzw. den Kontrollbedarf zu reduzieren, sodass vereinfacht Einfluss auf eine optimierte Verdampfungsstrategie übernommen werden kann. Dadurch, dass unerwünschte Querströme von Wärme vermieden sind, ist ein vereinfachtes Regeln durch ein komplett thermisch getrenntes Temperaturmanagement der Verdampferstränge möglich. Further advantages can result if, in an evaporator device according to the invention, the first heat exchanger and the second heat exchanger are thermally separated from one another, in particular thermally insulated. Avoiding cross-transfer of heat between the heat exchangers makes it possible to reduce the need for regulation or control, so that an optimized evaporation strategy can be influenced in a simplified manner. Because undesired cross-flows of heat are avoided, simplified control is possible through completely thermally separated temperature management of the evaporator strands.
Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung im Zuführabschnitt, im Verdampferabschnitt, im Sammelbehälter und/oder im Abfuhrabschnitt wenigstens eine Sensorvorrichtung angeordnet ist, insbesondere mit Sensormitteln zur Bestimmung wenigstens eines der folgenden Parameter: There are also advantages if at least one sensor device is arranged in an evaporator device according to the invention in the feed section, in the evaporator section, in the collection container and/or in the discharge section, in particular with sensor means for determining at least one of the following parameters:
- Temperatur - temperature
- Druck - Print
- Volumenstrom - flow rate
- Flüssigkeitsstand im Sammelbehälter - Liquid level in the collection tank
Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Dabei wird es nun möglich, mit den Sensormitteln die einzelnen Parameter in den einzelnen Strängen zu überwachen, sodass insbesondere das zugeführte Wasser, die zugeführte Dampfmenge, aber auch die heißen Prozessströme überwachbar sind. Die mit Hilfe der Sensormittel erfassten Parameter dienen dazu eine optimierte Kontrolle, entweder in regelnder oder aber in steuernder Weise zur Verfügung zu stellen. Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung die Wärmetauscher identisch oder im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. Neben einer deutlichen Kostenreduktion und einer Verringerung der Komplexität der Verdampfervorrichtung wird auf diese Weise eine vereinfachte Kontrollmöglichkeit gegeben. Wie ebenfalls bereits erläutert worden ist, handelt es sich bei den Wärmetauschern vorzugweise um Plattenwärmetauscher. Unter einer identischen oder im Wesentlichen identischen Ausbildung ist dabei insbesondere eine thermisch identische Ausbildung zu verstehen, insbesondere in Bezug auf die übertragbare Wärme und/oder die übertragebare Wärme pro Zeiteinheit und/oder pro Flächeneinheit. The above list is a non-exhaustive list. It is now possible to monitor the individual parameters in the individual lines with the sensor means, so that in particular the supplied water, the supplied amount of steam, but also the hot process streams can be monitored. The parameters recorded with the help of the sensor means serve to provide an optimized control, either in a regulating or in a controlling manner. It is also advantageous if, in an evaporator device according to the invention, the heat exchangers are of identical or essentially identical design. In addition to a significant cost reduction and a reduction in the complexity of the evaporator device, a simplified control option is provided in this way. As has also already been explained, the heat exchangers are preferably plate heat exchangers. An identical or substantially identical design is to be understood in particular as a thermally identical design, in particular with regard to the heat that can be transmitted and/or the heat that can be transmitted per unit of time and/or per unit of area.
Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung der Abfuhrabschnitt mit Bezug auf die Schwerkraftrichtung oben am Sammelbehälter angeordnet ist. Insbesondere ist diese Anordnung oberhalb eines maximalen Flüssigkeitsstandes im Sammelbehälter vorgesehen. Damit kann der Sammelbehälter sozusagen zusätzlich als Phasentrennvorrichtung ausgebildet sein, da durch die Schwerkraftvorrichtung flüssiges Wasser in Richtung des Bodens des Sammelbehälters läuft und im Wesentlichen ausschließlich verdampftes Wasser über den Abfuhrabschnitt in Richtung des Brennstoffzellenstapels weitergeführt wird.Further advantages can result if, in an evaporator device according to the invention, the discharge section is arranged at the top of the collection container with respect to the direction of gravity. In particular, this arrangement is provided above a maximum liquid level in the collection container. In this way, the collection container can also be designed as a phase separation device, so to speak, since liquid water runs through the gravity device in the direction of the bottom of the collection container and essentially only evaporated water is carried on via the discharge section in the direction of the fuel cell stack.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, aufweisend The subject of the present invention is also a fuel cell system comprising
- zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einem Gasabschnitt und einem Luftabschnitt, - at least one fuel cell stack with a gas section and an air section,
- einen Gaszuführabschnitt zum Zuführen von Gasabschnittszuführgas zu dem Gasabschnitt, - a gas supply section for supplying gas section supply gas to the gas section,
- einen Luftzuführabschnitt zum Zuführen von Luftabschnittszuführgas zum Luftabschnitt, - an air supply section for supplying air section supply gas to the air section,
- einen Gasabführabschnitt zum Abführen von Gasabschnittsabgas,- a gas discharge section for discharging gas section exhaust gas,
- einen Luftabführabschnitt zum Abführen von Luftabschnittsabgas. - an air discharge section for discharging air section exhaust gas.
Dabei ist im Luftzuführabschnitt eine Verdampfervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem bringt auf diese Weise die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine er- findungsgemäße Verdampfervorrichtung erläutert worden sind. Im Luftabschnittszuführgas wird Luft geführt. Im Gasabschnitt wird abhängig vom Betrieb als Brennstoffzellensystem oder als Elektrolysesystem entweder insbesondere Stickstoff (Brennstoffzellensystem-Betrieb) oder insbesondere Wasser in flüssiger Form bzw. im Gasabschnitt als verdampfte Form (Elektrolysesystem-Betrieb) eingesetzt. Es wird im Elektrolysebetrieb also Wasserdampf zum Gasabschnitt hingeführt. Als Gasabschnittsabgas steht Wasserstoff und/oder wasserstoffreiches Gas (Elektrolysebetrieb) und als Luftabschnittsabgas Sauerstoff und/oder sauerstoffreiches Gas (ebenso Elektrolysebetrieb) zur Verfügung. In this case, an evaporator device according to the present invention is arranged in the air supply section. In this way, a fuel cell system according to the invention brings with it the same advantages as described in detail with reference to an inventive evaporator device have been explained. Air is fed in the air section feed gas. Depending on whether it is operated as a fuel cell system or as an electrolysis system, either nitrogen in particular (fuel cell system operation) or water in particular in liquid form or in the gas section in vaporized form (electrolysis system operation) is used in the gas section. In the electrolysis operation, water vapor is thus conducted to the gas section. Hydrogen and/or hydrogen-rich gas (electrolysis operation) is available as the gas section exhaust gas and oxygen and/or oxygen-rich gas (also electrolysis operation) is available as the air section exhaust gas.
Weiter ist noch darauf hinzuweisen, dass auch das Gaszuführgas, sofern es eine eigene Wärmemenge enthält, selbstverständlich als heißer Prozessstrom verwendet werden kann, um eine weitere Wärmequelle zur Verfügung zu stellen. It should also be pointed out that the gas feed gas, if it contains its own quantity of heat, can of course also be used as a hot process stream in order to provide a further heat source.
Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann es vorteilhaft sein, wenn im Gasabführabschnitt, im Luftabführabschnitt und/oder im Gaszuführabschnitt eine zweite Kontrollvorrichtung für die Kontrolle des Volumenstroms zu jeweils einer heißen Wärmetauscherseite des ersten Wärmetauschers und/oder des zweiten Wärmtauschers angeordnet ist. Damit wird es möglich, auch die Wärmemenge einzustellen, welche auf der jeweiligen heißen Wärmetauscherseite zugeführt wird. Bei zu viel Wärme im jeweiligen Prozessstrom kann z. B. ein Bypass am jeweiligen Wärmetauscher vorbei zur Verfügung gestellt werden, um ein Überhitzen desselben zu vermeiden. In a fuel cell system according to the invention, it can be advantageous if a second control device for controlling the volume flow to a hot heat exchanger side of the first heat exchanger and/or the second heat exchanger is arranged in the gas discharge section, in the air discharge section and/or in the gas feed section. This makes it possible to adjust the amount of heat that is supplied to the respective hot heat exchanger side. If there is too much heat in the respective process stream, e.g. B. a bypass can be provided past the respective heat exchanger in order to avoid overheating of the same.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Fahren für die Kontrolle eines Verdampfungsvorgangs mittels einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung, aufweisend die folgenden Schritte: The subject of the present invention is also a method for controlling an evaporation process using an evaporator device according to the invention, having the following steps:
- Überwachen eines Dampfbedarfs eines Brennstoffzellensystems,- monitoring a steam requirement of a fuel cell system,
- Zuführen von flüssigem Wasser mittels des Zuführabschnitts,- supplying liquid water by means of the supply section,
- Aufteilen des zugeführten Wassers auf die Verdampferstränge,- Distribution of the supplied water to the evaporator strands,
- Verdampfen des aufgeteilten Wassers mittels der Wärmetauscher,- evaporation of the divided water by means of heat exchangers,
Auffangen des wenigstens teilweise verdampften Wassers im Sammelbehälter und Abführen von Wasserdampf mittels des Abführabschnitts. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich wie Sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Verdampfervorrichtung erläutert worden sind. Ziel ist dabei das Erzeugen von verdampftem Wasser. Collecting the at least partially evaporated water in the collection container and removing water vapor by means of the removal section. A method according to the invention thus brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to an evaporator device according to the invention. The aim is to produce evaporated water.
Vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren bei der quantitativen Aufteilung des zugeführten Wassers, die zur Verfügung stehende Wärmemenge auf der jeweiligen heißen Wärmetauscherseite des jeweiligen Wärmetauschers berücksichtigt wird. Damit kann die Menge des zugeführten Wassers sozusagen an die maximale Verdampfungsleistung des jeweiligen heißen Prozessstroms angepasst werden, sodass die Verdampfungsstrategie optimiert wird. It is advantageous if, in a method according to the invention, the amount of heat available on the respective hot heat exchanger side of the respective heat exchanger is taken into account in the quantitative division of the water supplied. In this way, the amount of water supplied can be adjusted to the maximum evaporation capacity of the respective hot process stream, so that the evaporation strategy is optimized.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren für eine nicht ausreichende Wärmemenge auf den heißen Wärmetauscherseiten der Wärmetauscher ein Zusatzheizen im Sammelbehälter durchgeführt wird. Neben einem hohen Flüssigkeitsstand im Sammelbehälter kann auf diese Weise proaktiv die gewünschte Zusatzheizung eingeschaltet werden. Ziel ist hier, die komplette oder im Wesentlichen komplette zugeführte Wassermenge in dem dampfförmigen Zustand zu überführen. It is also advantageous if, in a method according to the invention, additional heating is carried out in the collection container for an insufficient amount of heat on the hot heat exchanger sides of the heat exchanger. In this way, in addition to a high liquid level in the collection tank, the desired additional heating can be switched on proactively. The aim here is to convert the complete or substantially complete amount of water supplied into the vaporous state.
Weitere Vorteil, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschreiben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch: Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in any combination. They show schematically:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung, 1 shows an embodiment of an evaporator device according to the invention,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung, 2 shows a further embodiment of an evaporator device according to the invention,
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung, 3 shows a further embodiment of an evaporator device according to the invention,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung, Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung, 4 shows a further embodiment of an evaporator device according to the invention, 5 shows a further embodiment of an evaporator device according to the invention,
Fig. 6 die Ausführungsform der Fig. 5 in seitlicher Ansicht, und FIG. 6 shows the embodiment of FIG. 5 in a side view, and
Fig. 7 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. 7 shows an embodiment of a fuel cell system according to the invention.
Die Figur 1 zeigt schematisch eine besonders einfache Ausgestaltung einer Verdampfervorrichtung 10. Diese ist hier mit zwei parallelen Verdampfersträngen 50 und 60 ausgestattet, die zusammen den Verdampferabschnitt 30 bilden. Über einen Zuführabschnitt 20 wir flüssiges Wasser zugeführt und über eine Aufteilvorrichtung 40 auf die beiden Verdampferstränge 50 und 60 aufgeteilt. Um qualitativ und/oder quantitativ die Menge an aufgeteiltem flüssigem Wasser zu regeln, ist eine Kontrollvorrichtung 42 mit Ventilmitteln 44 in den beiden Verdampfersträngen 50 und 60 angeordnet. Ventilmittel 44 sitzen dabei vor dem jeweiligen Wärmetauscher 52 und 62. FIG. 1 schematically shows a particularly simple embodiment of an evaporator device 10. This is equipped here with two parallel evaporator branches 50 and 60, which together form the evaporator section 30. Liquid water is supplied via a supply section 20 and divided between the two evaporator strands 50 and 60 via a dividing device 40 . A control device 42 with valve means 44 is arranged in the two evaporator strands 50 and 60 in order to qualitatively and/or quantitatively regulate the amount of liquid water divided. Valve means 44 are located in front of the respective heat exchangers 52 and 62.
Wie der Figur 1 weiter zu entnehmen ist, wird das flüssige Wasser aus dem Zuführabschnitt 20 nun durch die kalten Wärmetauscherseiten KWT des ersten Wärmetauschers 52 und des zweiten Wärmetauschers 62 geführt. Insbesondere im Gegenstrombertrieb wird nun Wärme von heißen Prozessabgasen von der heißen Wärmetauscherseite HWT im ersten Wärmetauscher 52 und im zweiten Wärmetauscher 62 an das flüssige Wasser übergeben und dieses zumindest teilweise verdampft. Über einen Abführabschnitt 80, wird hier ein Abführen der verdampften Teile des zugeführten Wassers erfolgen. Zum Sammeln des wenigstens teilweise verdampften Wassers ist hier als Sammelbehälter 70 ein gemeinsamer Rohrabschnitt des Abführabschnitts 80 vorgesehen. As can further be seen from FIG. In countercurrent operation in particular, heat from hot process waste gases is now transferred from the hot heat exchanger side HWT in the first heat exchanger 52 and in the second heat exchanger 62 to the liquid water, and this is at least partially evaporated. The evaporated parts of the supplied water are discharged here via a discharge section 80 . A common pipe section of the discharge section 80 is provided here as a collecting tank 70 for collecting the at least partially evaporated water.
Die Figur 2 zeigt schematisch eine Ergänzung, bei welcher im Abfuhrabschnitt 80 eine Zusatzheizvorrichtung 72 angeordnet ist. Hier ist in gleicher Weise eine Funktionsweise gegeben, wie sie mit Bezug auf Figur 1 erläutert worden ist. Ebenfalls wie in Figur 1 ist die Förderrichtung des flüssigen Wassers entgegen einer Schwerkraftrichtung SR ausgerichtet. FIG. 2 schematically shows an addition in which an additional heating device 72 is arranged in the discharge section 80 . Functionality is given here in the same way as has been explained with reference to FIG. Likewise as in FIG. 1, the conveying direction of the liquid water is oriented counter to a direction of gravity SR.
Die Figur 3 zeigt, dass im Nachgang zu dem Verdampferabschnitt 30 auch ein Sammelbehälter 70 mit vergrößerten Ausmaßen vorgesehen sein kann, wel- eher sozusagen in den Abführabschnitt 80 integriert ist. In einem solchen Fall bildet der Sammelbehälter neben dem Zusammenführen der verdampften Wassermengen eine Sammelmöglichkeit für verbliebenes flüssiges Wasser aus. FIG. 3 shows that downstream of the evaporator section 30, a collecting container 70 with enlarged dimensions can also be provided, which rather it is integrated into the discharge section 80, so to speak. In such a case, in addition to bringing together the evaporated amounts of water, the collection container forms a collection option for remaining liquid water.
Gemäß der Figur 4 ist in dem Sammelbehälter 70 eine Zusatzheizvorrichtung 72, z. B. als elektrischer Zusatzheizer, integriert. Auch ist in der Figur 4 dargestellt, wie Sensorvorrichtungen 90 die Prozessströme erfassen können, um die entsprechende Wärmemenge für eine Optimierung der Verdampfungsstrategie zu ermitteln. Insbesondere werden hier die Temperaturen und/oder die Volumenströme der jeweiligen Prozessströme erfasst. According to FIG. 4, an additional heating device 72, e.g. B. integrated as an additional electric heater. FIG. 4 also shows how sensor devices 90 can detect the process streams in order to determine the corresponding amount of heat for optimizing the evaporation strategy. In particular, the temperatures and/or the volume flows of the respective process flows are recorded here.
Die Figuren 5 und 6 zeigen schematisch eine Konstruktionsweise einer solchen Verdampfervorrichtung 10. Hier sind zwei parallele Wärmetauscher 52 und 62 vorgesehen, welche im Verdampferabschnitt 30 den ersten Verdampferstrang 50 und den zweiten Verdampferstrang 60 ausbilden. Die Führung des flüssigen Wassers erfolgt dabei entgegen der Schwerkraftrichtung SR von unten nach oben, abschließend in einen Sammelbehälter 70 hinein. In diesem befindet sich eine Zusatzheizvorrichtung 72, sodass ein Nachverdampfen von flüssigem Restwasser erfolgen kann, um sicherzustellen, dass am Abfuhrabschnitt 80 ausschließlich, oder im Wesentlichen ausschließlich verdampftes Wasser vorliegt. Auch hier ist in dem Zuführabschnitt 20 nachgelagert eine Kontrollvorrichtung 42 mit dem bereits erläuterten Ventilmittel 44 vorgesehen. FIGS. 5 and 6 schematically show a design of such an evaporator device 10. Two parallel heat exchangers 52 and 62 are provided here, which form the first evaporator branch 50 and the second evaporator branch 60 in the evaporator section 30. The liquid water is guided against the direction of gravity SR from bottom to top, finally into a collection container 70 . In this there is an additional heating device 72 so that a post-evaporation of liquid residual water can take place in order to ensure that only or essentially only evaporated water is present at the discharge section 80 . Here, too, a control device 42 with the already explained valve means 44 is provided downstream in the feed section 20 .
Die Figur 6 zeigt die Ausführungsform der Figur 5 im seitlichen Querschnitt, in welchem nochmals gut der Gegenstrombetrieb von links oben nach rechts unten für die heißen Prozessabgase erkennbar wird. Auch hier ist der Bezug entgegen der Schwerkraftrichtung SR für das zu verdampfende Wasser dargestellt. FIG. 6 shows the embodiment of FIG. 5 in a lateral cross section, in which the counterflow operation from top left to bottom right for the hot process waste gases can again be clearly seen. Here, too, the reference is shown counter to the direction of gravity SR for the water to be evaporated.
Die Figur 7 zeigt schematisch, wie eine erfindungsgemäße Verdampfervorrichtung 10 in ein Brennstoffzellensystem 100 integriert sein kann. Hier bildet die Verdampfervorrichtung 10 einen Teil des Luftzuführabschnitts 140 aus. Als heiße Prozessströme sind hier die Abgase des Brennstoffzellenstapels 110 und hier insbesondere aus dem Gasabführabschnitt 122 und dem Luftabführabschnitt 142 vorgesehen. Die voranstehenden Erläuterungen der Ausführungsformen beschreiben die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. FIG. 7 shows schematically how an evaporator device 10 according to the invention can be integrated into a fuel cell system 100. Here, the evaporator device 10 forms part of the air supply portion 140 . The exhaust gases of the fuel cell stack 110 and here in particular from the gas discharge section 122 and the air discharge section 142 are provided as hot process streams. The above explanations of the embodiments describe the present invention exclusively in the context of examples. It goes without saying that individual features of the embodiments can be freely combined with one another, insofar as this makes technical sense, without departing from the scope of the present invention.
Bezugszeichenliste Reference List
10 Verdampfervorrichtung10 evaporator device
20 Zuführabschnitt 20 feeding section
30 Verdampferabschnitt 30 evaporator section
40 Aufteilvorrichtung 40 dividing device
42 Kontrollvorrichtung 42 control device
44 Ventilmittel 44 valve means
50 erster Verdampferstrang50 first evaporator line
52 erster Wärmetauscher52 first heat exchanger
60 zweiter Verdampferstrang60 second evaporator line
62 zweiter Wärmetauscher62 second heat exchanger
70 Sammelbehälter 70 collection bins
72 Zusatzheizvorrichtung72 Auxiliary heater
80 Abfuhrabschnitt 80 discharge section
90 Sensorvorrichtung 90 sensor device
100 Brennstoffzellensystem 100 fuel cell system
110 Brennstoffzellenstapel110 fuel cell stack
112 Gasabschnitt 112 gas section
114 Luftabschnitt 114 air section
120 Gaszuführabschnitt 120 gas supply section
122 Gasabführabschnitt 122 gas discharge section
140 Luftzuführabschnitt 140 air supply section
142 Luftabführabschnitt 142 air discharge section
SR SchwerkraftrichtungSR gravity direction
KWT kalte WärmetauscherseiteKWT cold heat exchanger side
HWT heiße Wärmetauscherseite HWT hot heat exchanger side

Claims

Patentansprüche Verdampfervorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem (100), aufweisend einen Zuführabschnitt (20) für die Zufuhr von Wasser, einen Verdampferabschnitt (30) mit einer Aufteilvorrichtung (40) für eine Aufteilung des zugeführten Wassers vom Zuführabschnitt (30) auf einen ersten Verdampferstrang (50) mit einer kalten Wärmetauscherseite (KWT) eines ersten Wärmetauschers (52) und wenigstens einen zweiten Verdampferstrang (60) mit einer kalten Wärmetauscherseite (KWT) eines zweiten Wärmetauschers (62), weiter aufweisend einen Sammelbehälter (70) in fluidkommunizierender Verbindung mit dem ersten Verdampferstrang (50) und dem wenigstens einen zweiten Verdampferstrang (60) zum Auffangen von wenigstens teilweise verdampftem Wasser und einen Abfuhrabschnitt (80) zur Abfuhr von Wasserdampf aus dem Sammelbehälter (70), wobei der erste Wärmetauscher (52) eine heiße Wärmetauscherseite (HWT) und der zweite Wärmetauscher (62) eine heiße Wärmetauscherseite (HWT) aufweisen für die Führung von unterschiedlichen, heißen Prozessströmen des Brennstoffzellensystems (100). Verdampfervorrichtung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilvorrichtung (40) wenigstens eine Kontrollvorrichtung (42), insbesondere in Form eines Ventilmittels (44), aufweist für eine qualitative und/oder eine quantitative Kontrolle eines Aufteilverhältnisses des Wassers auf die Verdampferstränge (50, 60). Evaporator device (10) for a fuel cell system (100), having a feed section (20) for the supply of water, an evaporator section (30) with a dividing device (40) for dividing the water supplied from the feed section (30) to a first evaporator branch (50) with a cold heat exchanger side (KWT) of a first heat exchanger (52) and at least one second evaporator line (60) with a cold heat exchanger side (KWT) of a second heat exchanger (62), further having a collecting tank (70) in fluid communication with the first evaporator line (50) and the at least one second evaporator line (60) for collecting at least partially evaporated water and a discharge section (80) for discharging water vapor from the collection container (70), the first heat exchanger (52) having a hot heat exchanger side (HWT ) and the second heat exchanger (62) have a hot heat exchanger side (HWT) for the Fü management of different, hot process streams of the fuel cell system (100). Evaporator device (10) according to Claim 1, characterized in that the dividing device (40) has at least one control device (42), in particular in the form of a valve means (44), for qualitative and/or quantitative control of a distribution ratio of the water to the evaporator branches (50, 60).
3. Verdampfervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelbehälter (70) wenigstens eine Zusatzheizvorrichtung (72) aufweist für ein Verdampfen von flüssigem Restwasser im Sammelbehälter (70). Verdampfervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (52) und/oder der zweite Wärmetauscher (62) für einen Gegenstrombetrieb zwischen der jeweiligen kalten Wärmetauscherseite (KWT) und der jeweiligen heißen Wärmetauscherseite (HWT) ausgebildet sind. Verdampfervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführabschnitt (20) und/oder der Verdampferabschnitt (30) mit ihrer Strömungsrichtung entgegen oder im Wesentlichen entgegen der Schwerkraftrichtung (SR) ausgerichtet sind. Verdampfervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (52) und der zweite Wärmetauscher (62) voneinander thermisch getrennt, insbesondere thermisch isoliert sind. Verdampfervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zuführabschnitt (20), im Verdampferabschnitt (30), im Sammelbehälter (70) und/oder im Abfuhrabschnitt (80) wenigstens eine Sensorvorrichtung (90) angeordnet ist, insbesondere mit Sensormitteln zur Bestimmung wenigstens eines der folgenden Parameter: 3. Evaporator device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the collecting container (70) has at least one additional heating device (72) for evaporating liquid residual water in the collecting container (70). Evaporator device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the first heat exchanger (52) and/or the second heat exchanger (62) are designed for countercurrent operation between the respective cold heat exchanger side (KWT) and the respective hot heat exchanger side (HWT). . Evaporator device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the feed section (20) and/or the evaporator section (30) are aligned with their flow direction counter to or essentially counter to the direction of gravity (SR). Evaporator device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the first heat exchanger (52) and the second heat exchanger (62) are thermally separated from one another, in particular thermally insulated. Evaporator device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one sensor device (90) is arranged in the feed section (20), in the evaporator section (30), in the collection container (70) and/or in the discharge section (80), in particular with Sensor means for determining at least one of the following parameters:
- Temperatur - temperature
- Druck - Print
- Volumenstrom - flow rate
- Flüssigkeitsstand im Sammelbehälter (70) Verdampfervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher (52, 62) identisch oder im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. Verdampfervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abfuhrabschnitt (80) mit Bezug auf die Schwerkraftrichtung (SR) oben am Sammelbehälter (70) angeordnet ist. rennstoffzellensystem (100), aufweisend - Liquid level in the collection container (70) evaporator device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the heat exchangers (52, 62) are of identical or substantially identical design. Evaporator device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the discharge section (80) is arranged at the top of the collection container (70) with respect to the direction of gravity (SR). fuel cell system (100), comprising
- zumindest einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Gasabschnitt (112) und einem Luftabschnitt (114), einen Gaszuführabschnitt (120) zum Zuführen von Gasabschnittszuführgas zu dem Gasabschnitt (112), 17 einen Luftzuführabschnitt (140) zum Zuführen von Luftabschnittszuführgas zum Luftabschnitt (114), - at least one fuel cell stack (110) with a gas section (112) and an air section (114), a gas supply section (120) for supplying gas section feed gas to the gas section (112), 17 an air supply section (140) for supplying air section supply gas to the air section (114),
- einen Gasabführabschnitt (122) zum Abführen von Gasabschnittsabgas, - a gas discharge section (122) for discharging gas section exhaust gas,
- einen Luftabführabschnitt (142) zum Abführen von Luftabschnittsabgas, wobei im Luftzuführabschnitt eine Verdampfervorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9 angeordnet ist. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Gasabführabschnitt (122), im Luftabführabschnitt (142) und/oder im Gaszuführabschnitt (120) eine zweite Kontrollvorrichtung für die Kontrolle des Volumenstroms zu jeweils einer heißen Wärmetauscherseite (HWT) des ersten Wärmetauschers (52) und/oder des zweiten Wärmetauschers (62) angeordnet ist. Verfahren für die Kontrolle eines Verdampfungsvorgangs mittels einer Verdampfervorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9, aufweisend die folgenden Schritte: - an air discharge section (142) for discharging air section exhaust gas, wherein an evaporator device (10) having the features of one of claims 1 to 9 is arranged in the air supply section. Fuel cell system (100) according to Claim 10, characterized in that in the gas discharge section (122), in the air discharge section (142) and/or in the gas supply section (120) there is a second control device for controlling the volume flow to a respective hot heat exchanger side (HWT) of the first heat exchanger (52) and/or the second heat exchanger (62) is arranged. Method for controlling an evaporation process by means of an evaporator device (10) having the features of one of claims 1 to 9, having the following steps:
- Überwachen eines Dampfbedarfs eines Brennstoffzellensystems (100), - monitoring a steam requirement of a fuel cell system (100),
- Zuführen von flüssigem Wasser mittels des Zuführabschnitts (20), - supplying liquid water by means of the supply section (20),
- Aufteilen des zugeführten Wassers auf die Verdampferstränge (50, 60), - Dividing the supplied water to the evaporator strands (50, 60),
- Verdampfen des aufgeteilten Wassers mittels der Wärmetauscher (52, 62), - evaporating the divided water by means of the heat exchangers (52, 62),
- Auffangen des wenigstens teilweise verdampften Wassers im Sammelbehälter (70) und - Collecting the at least partially evaporated water in the collection container (70) and
- Abführen von Wasserdampf mittels des Abführabschnitts (80). Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der quantitativen Aufteilung des zugeführten Wassers die zur Verfügung stehende Wärmemenge auf der jeweiligen heißen Wärmetauscherseite (HWT) des jeweiligen Wärmetauschers (52, 62) berücksichtigt wird. 18 Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass für eine nicht ausreichende Wärmemenge auf den heißen Wärmetauscherseiten (HWT) der Wärmetauscher (52, 62) ein Zusatzheizen im Sammelbehälter (70) durchgeführt wird. - Draining of water vapor by means of the discharge section (80). Method according to Claim 12, characterized in that the amount of heat available on the respective hot heat exchanger side (HWT) of the respective heat exchanger (52, 62) is taken into account in the quantitative division of the water supplied. 18 The method according to any one of claims 12 or 13, characterized in that for an insufficient amount of heat on the hot heat exchanger sides (HWT) of the heat exchanger (52, 62) an additional heating in the collector (70) is carried out.
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