DE10141906A1 - Fuel cell system has at least one water removal line leading out of storage device and opening into region of feed line to cathode side - Google Patents

Fuel cell system has at least one water removal line leading out of storage device and opening into region of feed line to cathode side

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Abstract

The system has a fuel cell(s) with anode and cathode sides, a system for generating gas containing hydrogen for the anode side, a feed line for gas containing oxygen to the cathode side and a feed line for pre-compressed gas containing oxygen to the gas generation system with at least one compressor and storage device. At least one water removal line leads out of the storage device and opens into a region of the feed line to the cathode side. The system has at least one fuel cell with anode and cathode sides, a gas generation system for generating gas containing hydrogen for the anode side, a feed line for gas containing oxygen to the cathode side and a feed line for pre-compressed gas containing oxygen to the gas generation system in which at least one compressor and at least one storage device (14) are arranged. At least one water removal line (19) leads out of the storage device and opens into a region of the feed line (16) to the cathode side (5).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. The invention relates to a fuel cell system with at least one fuel cell after the im The preamble of claim 1 further defined type.

Ein derartiges Brennstoffzellensystem ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. In dem in der Zuführleitung zur Zuführung von sauerstoffhaltigem Gas zu dem Gaserzeugungssystem angeordneten Verdichter und insbesondere in der diesem Verdichter nachgeschalteten Speichereinrichtung kann es zu Kondensatbildung kommen, also zu einem üblichen Problem bei Verdichteranlagen. Such a fuel cell system is from the known in the general art. In the in the Feed line for the supply of oxygen-containing gas to the gas generating system arranged compressor and especially in the downstream of this compressor Storage device may cause condensation come, so a common problem Compressor stations.

Häufig wird bei der Verdichtung Wasser in den Verdichtungsraum eingespritzt, beispielsweise um die bei der Verdichtung entstehende Wärme umzusetzen bzw. abzuführen. Selbstverständlich erhöht dies den Wasseranteil in dem dem Gaserzeugungssystem zugeführten Gas. Diese Erhöhung des Wasseranteils wird meist noch durch verschiedene Verdichterstufen in dem Brennstoffzellensystem erhöht. Für die Funktion des Brennstoff zellensystems ist dieser Wasseranteil jedoch besonders im Kaltstartbetrieb sehr nachteilig, was vor allem daran liegt, daß die flüssigen Bestandteile nachfolgende Bauteile punktuell sehr stark abkühlen und anschließend verdampft werden müssen. Water is often used in the compression process Injected compression space, for example, at the To convert compression resulting heat or dissipate. Of course, this increases the water content in the gas supplied to the gas generating system. This Increasing the water content is usually still through different compressor stages in the Fuel cell system increased. For the function of the fuel However, this proportion of water is particularly important in the cell system Cold start operation very disadvantageous, especially because of it is that the liquid components subsequent Cool down parts very strongly at certain points and then have to be evaporated.

Bekannte Kondensatabscheider, wie sie beispielsweise in der DE 43 18 818 C2 beschrieben sind, können für die oben genannten Probleme teilweise zwar eine Abhilfe schaffen, allerdings sind diese auch relativ teuer und schwer. Des weiteren benötigen sie einen großen Bauraum, erzeugen meist nicht unerhebliche Druckverluste und erfordern einen zusätzlichen Steuerungsaufwand. Known condensate, as for example in DE 43 18 818 C2 are described, can for Although the above problems partially a Remedy, but these are also relatively expensive and difficult. Furthermore, they need a big one Space, usually produce not insignificant Pressure losses and require an additional Control effort.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle zu schaffen, bei welchem die flüssigen Bestandteile in der dem Gaserzeugungssystem zugeführten Luft auf möglichst einfache und kostengünstige Art und Weise entfernt werden können. It is therefore an object of the present invention to provide a Fuel cell system with at least one To provide fuel cell in which the liquid Ingredients in the gas generating system supplied Air in the simplest and most cost-effective way and Way can be removed.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. According to the invention this object is achieved by the in characterizing part of claim 1 features solved.

Die erfindungsgemäß von der Speichereinrichtung zu der zu der Kathodenseite führenden Zuführleitung verlaufende Entwässerungsleitung dient zum Abführen des sich in der Speichereinrichtung sammelnden Kondensats, so daß dieses die Speichereinrichtung nicht in Richtung des Gaserzeugungssystems verlassen kann. Hierdurch wird das Gaserzeugungssystem vor dem Eintritt von flüssigem Kondensat geschützt, was zu einem besseren Betrieb des gesamten Brennstoffzellensystems führt. The invention of the memory device to the to the cathode side leading supply line running drainage line serves to discharge the in the storage device collecting condensate, so that this the storage device is not in the direction of the gas generating system can leave. hereby will the gas generating system before the entry of protected liquid condensate, resulting in a better Operation of the entire fuel cell system leads.

Abgesehen von der Entwässerungsleitung und deren Montage erfordert die erfindungsgemäße Lösung keinerlei zusätzlichen Aufwand, so daß die Komplexität des Brennstoffzellensystems trotz der erheblich erhöhten Funktionalität kaum zunimmt. Apart from the drainage pipe and its Assembly requires the inventive solution no additional effort, so that the complexity of the Fuel cell system despite the significantly increased Functionality hardly increases.

Dadurch, daß die erfindungsgemäße Entwässerungsleitung in die Zuführleitung für die Kathodenseite mündet, wird der zu der Kathodenseite strömende Gasstrom zur Ansaugung und Zerstäubung des Wassers für die Wassereinspritzung in den Kathodenkompressor verwendet, wodurch zusätzliche Einrichtungen hierfür eingespart werden können. Des weiteren wird die Wasserbilanz des gesamten Brennstoffzellensystems verbessert, da das in den Verdichter eingespritzte und als Kondensat in der Speichereinrichtung anfallende Wasser zusätzlich zur Befeuchtung des der Kathodenseite zugeführten sauerstoffhaltigen Gasstromes verwendet wird. Characterized in that the drainage line according to the invention flows into the supply line for the cathode side, the gas stream flowing to the cathode side becomes Intake and atomization of the water for the Water injection used in the cathode compressor, which saves additional facilities for this can be. Furthermore, the water balance of improved overall fuel cell system, since the in the compressor is injected and as condensate in the Storage device accumulating water in addition to Humidification of the cathode side supplied oxygen-containing gas stream is used.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildung der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel. Advantageous embodiments and development of Invention will become apparent from the dependent claims and from below in principle with reference to the drawing illustrated embodiment.

Es zeigt: It shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; und Fig. 1 is a schematic representation of the fuel cell system according to the invention; and

Fig. 2 die Speichereinrichtung aus Fig. 1 im Schnitt; FIG. 2 shows the memory device from FIG. 1 in section; FIG.

Fig. 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 mit einem aus mehreren Brennstoffzellen 2 gebildeten Brennstoffzellen-Stack 3 in schematischer Darstellung. Jede Brennstoffzelle 2 des Brennstoffzellen-Stacks 3 weist eine Anodenseite 4 und eine Kathodenseite 5 auf. Die Funktionsweise der Brennstoffzellen 2 ist an sich bekannt, weshalb im folgenden nicht näher darauf eingegangen wird. Fig. 1 shows a fuel cell system 1 having a plurality of fuel cells 2 formed from the fuel cell stack 3 in a schematic representation. Each fuel cell 2 of the fuel cell stack 3 has an anode side 4 and a cathode side 5 . The operation of the fuel cell 2 is known per se, which is why will not be discussed in more detail below.

Des weiteren weist das Brennstoffzellensystem 1 ein an sich bekanntes Gaserzeugungssystem 6 auf, von welchem aus eine Anodenzuleitung 7 zur Zuführung eines wasserstoffhaltigen Gases zu den Brennstoffzellen 2 verläuft. Von der Anodenseite 4 und von der Kathodenseite 5 verlaufen voneinander unabhängige Leitungen 8 und 9 zur Abführung von Wasser aus den Brennstoffzellen 2, die beide in eine Abscheideeinrichtung 10 münden. Die Abscheideeinrichtung 10 weist in bekannter Weise ein Abscheideelement 10a, einen Flüssigkeitsbehälter 10b, eine Abgasleitung 10c und eine Flüssigkeitsleitung 10d auf. Selbstverständlich gehen von dem Brennstoffzellen-Stack 3 noch weitere Leitungen aus, diese sind jedoch nicht dargestellt. Furthermore, the fuel cell system 1 has a gas generation system 6 , which is known per se, from which an anode feed line 7 for supplying a hydrogen-containing gas to the fuel cells 2 runs. From the anode side 4 and from the cathode side 5 are independent lines 8 and 9 for the discharge of water from the fuel cell 2 , both of which open into a separator 10 . The separation device 10 has in a known manner a separation element 10 a, a liquid container 10 b, an exhaust pipe 10 c and a liquid line 10 d. Of course, go from the fuel cell stack 3 even more lines, but these are not shown.

Zu dem Gaserzeugungssystem 6 führt eine Brennstoffzuleitung 11, über welche dem Gaserzeugungssystem 6 ein Brennstoff, beispielsweise ein Kohlenstoffderivat, in an sich bekannter Weise zugeführt wird. To the gas generating system 6 performs a fuel supply line 11 through which the gas generating system 6, a fuel, such as a carbon derivative, is supplied in a conventional manner.

Des weiteren mündet in das Gaserzeugungssystem 6 eine Zuführleitung 12 zur Zuführung von sauerstoffhaltigem Gas, beispielsweise Luft, zu dem Gaserzeugungssystem 6. In der Zuführleitung 12 sind ein Verdichter 13 und eine mit dem Verdichter 13 zusammenarbeitende und demselben nachgeschaltete Speichereinrichtung 14 angeordnet, die zur Erfüllung von Dynamikanforderungen des Brennstoffzellensystems 1 dient. Vor dem Verdichter 13 kann in die Zuführleitung 12 eine weitere Leitung 15 einmünden, welche aus einer Zuführleitung 16 zur Zuführung von sauerstoffhaltigem Gas, beispielsweise Luft, zu der Kathodenseite 5 gespeist wird. Auch in der Zuführleitung 16 ist ein Verdichter 17 zur Erhöhung des Druckes in der Zuführleitung 16 angeordnet, so daß in der Zuführleitung 16 der Druck p1 herrscht. Further flows into the gas generating system 6, a supply line 12 for supplying oxygen-containing gas, for example air, to the gas generating system. 6 In the supply line 12 , a compressor 13 and a cooperating with the compressor 13 and the same downstream storage device 14 are arranged, which serves to meet dynamic requirements of the fuel cell system 1 . In front of the compressor 13 , a further line 15 can lead into the supply line 12 , which is fed from a supply line 16 for supplying oxygen-containing gas, for example air, to the cathode side 5 . Also in the supply line 16 , a compressor 17 is arranged to increase the pressure in the supply line 16 , so that in the supply line 16, the pressure p 1 prevails.

Der Verdichter 13 in der Zuführleitung 12 erhöht den Luftdruck in der Zuführleitung 12 auf einen Druck p3, der unter anderem auch in der Speichereinrichtung 14 ansteht. Dieser Druck p3 wird durch ein Ventilelement 18 in der Zuführleitung 12 auf einen Druck p2 in dem Gaserzeugungssystem 6 verringert. Durch die Druckerhöhung mit Hilfe des Verdichters 13 fällt in der Speichereinrichtung 14 bzw. in der Zuführleitung 12 eine für das nachfolgende Gaserzeugungssystem 6 nicht unerhebliche Menge an Kondensat an. The compressor 13 in the supply line 12 increases the air pressure in the supply line 12 to a pressure p 3 , which is present, inter alia, in the storage device 14 . This pressure p 3 is reduced by a valve element 18 in the supply line 12 to a pressure p 2 in the gas generating system 6 . As a result of the pressure increase with the aid of the compressor 13 , a quantity of condensate which is not insignificant for the subsequent gas generation system 6 accumulates in the storage device 14 or in the supply line 12 .

Um dieses Kondensat abzuführen und von dem Gaserzeugungssystem 6 fernzuhalten, ist die Speichereinrichtung 14 mit einer Entwässerungsleitung 19 versehen, welche in den Verdichter 17 bzw. allgemein in die Zuführleitung 16 mündet. In den Verdichter 17 mündet außerdem eine von dem Flüssigkeitsbehälter 10b ausgehende Wasserzuleitung 20, welche dafür sorgt, daß die der Kathodenseite 5 über die Zuführleitung 16 zugeführte Luft mit dem aus den Brennstoffzellen 2 stammenden Wasser befeuchtet wird, um ein besseres Arbeiten der Brennstoffzellen 2 zu gewährleisten. Der Verdichter 17 ist in demjenigen Bereich, in dem die Entwässerungsleitung 19 und die Wasserzuleitung 20 in denselben einmünden, mit einer Zweistoffdüse 21 versehen, die für ein Ansaugen des Wassers aus der Leitung 20 durch den Gasstrom in der Entwässerungsleitung 19 sorgt. Durch diese Anordnung wird das in der Speichereinrichtung 14 entstehende Kondensat kontinuierlich abführt und der Zuführleitung 16 zugeführt, so daß es letztendlich ebenfalls zu den Brennstoffzellen 2 gelangt. In der Entwässerungsleitung 19 ist ein Drosselelement 22 angeordnet, welches zur Verringerung des Druckes und der Durchflußmenge durch die Entwässerungsleitung 19 dient. Allerdings ist die durch die Entwässerungsleitung 19 strömende Wassermenge im Vergleich mit der Wassermenge durch die Wasserzuleitung 20 sehr gering, da in der Entwässerungsleitung 19 hauptsächlich Gas strömt. In order to remove this condensate and to keep it away from the gas generating system 6 , the storage device 14 is provided with a drainage line 19 which opens into the compressor 17 or generally into the supply line 16 . In the compressor 17 also opens out of the liquid container 10 outgoing water supply line 20 , which ensures that the cathode side 5 supplied via the supply line 16 is humidified with the water coming from the fuel cell 2 , to better work the fuel cell 2 guarantee. The compressor 17 is provided in the region in which the drainage line 19 and the water supply line 20 in the same, provided with a two-fluid nozzle 21 , which ensures the suction of water from the line 20 by the gas flow in the drainage line 19 . By this arrangement, the condensate formed in the storage device 14 is continuously discharged and fed to the supply line 16 , so that it finally also reaches the fuel cell 2 . In the drainage line 19 , a throttle element 22 is arranged, which serves to reduce the pressure and the flow rate through the drainage line 19 . However, the amount of water flowing through the dewatering line 19 is very small in comparison with the amount of water through the water supply line 20 , since gas mainly flows in the dewatering line 19 .

Die Speichereinrichtung 14 ist in Fig. 2 im Schnitt dargestellt und weist ein Gehäuse 23 mit einem Eingangsstutzen 24 und einem Ausgangsstutzen 25 auf, welche beide in nicht dargestellter Weise mit der Zuführleitung 12 verbunden sind, um für eine kontinuierliche Luftströmung innerhalb der Speichereinrichtung 14 zu sorgen. In dem Gehäuse 23 der Speichereinrichtung 14 ist ein Abscheideelement 26 zur Abscheidung von Kondensat aus dem die Speichereinrichtung 14 durchströmenden Gas angeordnet, welches im vorliegenden Fall als Drahtgestrick ausgebildet ist. Alternativ wäre es auch möglich, das Abscheideelement 26 als Filterelement bzw. Filterpatrone auszubilden. Des weiteren wäre gegebenenfalls denkbar, auf das Abscheideelement 26 vollständig zu verzichten, wobei sich in diesem Fall das Kondensat an der Wand des Gehäuses 23 absetzen würde. The storage device 14 is shown in section in Fig. 2 and has a housing 23 with an inlet port 24 and an outlet port 25 , both of which are connected in a manner not shown to the supply line 12 to provide a continuous flow of air within the storage device 14 , In the housing 23 of the storage device 14 , a separation element 26 for the separation of condensate from the gas flowing through the storage device 14 is arranged, which is formed in the present case as a wire mesh. Alternatively, it would also be possible to form the separating element 26 as a filter element or filter cartridge. Furthermore, it would possibly be possible to completely dispense with the separation element 26 , in which case the condensate would settle on the wall of the housing 23 .

Von dem Ausgangsstutzen 25 verläuft eine Leitung 27über annähernd die gesamte Länge innerhalb des Gehäuses 23 bzw. des Abscheideelementes 26, um sicherzustellen, daß die in die Speichereinrichtung 14 einströmende Luft das gesamte Abscheideelement 26 durchströmt, bevor sie zu dem Ausgangsstutzen 25 gelangt. In diesem Zusammenhang könnte der Ausgangsstutzen 25 auch an dem dem Eingangsstutzen 24 gegenüberliegenden Ende des Gehäuses 23 vorgesehen sein, um gegebenenfalls auf die Leitung 27 verzichten zu können. Of the outlet port 25 , a conduit 27 extends over approximately the entire length within the housing 23 and the Abscheideelementes 26 to ensure that the air flowing into the storage device 14 air flows through the entire separation element 26 before it reaches the outlet port 25 . In this connection, the outlet nozzle 25 could also be provided at the end of the housing 23 opposite the inlet connection 24 , in order to be able to dispense with the line 27 if necessary.

Um ein kontinuierliches und insbesondere vollständiges Entleeren der Speichereinrichtung 14 zu gewährleisten, ist die Entwässerungsleitung 19 an der wenigstens annähernd tiefsten Stelle bzw. am untersten Ende des Gehäuses 23 angebracht, so daß sich das Kondensat in diesem Bereich sammelt und mit dem an der Zweistoffdüse 21 anstehenden Gasstrom abgeführt wird. In order to ensure a continuous and in particular complete emptying of the storage device 14 , the drainage line 19 is attached to the at least approximately lowest point or at the lowest end of the housing 23 , so that the condensate collects in this area and with the pending at the two-fluid nozzle 21 Gas stream is discharged.

Claims (8)

1. Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle, die eine Anodenseite und eine Kathodenseite aufweist, mit einem Gaserzeugungssystem zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas für die Anodenseite, mit einer Zuführleitung für sauerstoffhaltiges Gas zu der Kathodenseite und mit einer Zuführleitung zur Zuführung von vorverdichtetem, sauerstoffhaltigem Gas zu dem Gaserzeugungssystem, in welcher wenigstens ein Verdichter und wenigstens eine Speichereinrichtung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß von der wenigstens einen Speichereinrichtung (14) wenigstens eine Entwässerungsleitung (19) ausgeht, welche in einen Bereich der Zuführleitung (16) zu der Kathodenseite (5) mündet. A fuel cell system comprising at least one fuel cell having an anode side and a cathode side, a gas generating system for generating hydrogen-containing gas for the anode side, an oxygen-containing gas supply line to the cathode side, and a supply line for supplying precompressed oxygen-containing gas to the same Gas generating system, in which at least one compressor and at least one storage device are arranged, characterized in that at least one drainage line ( 19 ) emanates from the at least one storage device ( 14 ), which opens into a region of the supply line ( 16 ) to the cathode side ( 5 ) , 2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entwässerungsleitung (19) in eine in der Zuführleitung (16) zu der Kathodenseite (5) angeordnete Zweistoffdüse (21) mündet. 2. Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the drainage line ( 19 ) opens into a in the supply line ( 16 ) to the cathode side ( 5 ) arranged two-fluid nozzle ( 21 ). 3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entwässerungsleitung (19) von der wenigstens annähernd tiefsten Stelle der Speichereinrichtung (14) ausgeht. 3. Fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized in that the drainage line ( 19 ) emanates from the at least approximately deepest point of the storage device ( 14 ). 4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Entwässerungsleitung (19) ein Drosselelement (22) angeordnet ist. 4. Fuel cell system according to claim 1, 2 or 3, characterized in that in the drainage line ( 19 ) a throttle element ( 22 ) is arranged. 5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem wenigstens einen Speicherelement (14) wenigstens ein Abscheideelement (26) angeordnet ist. 5. Fuel cell system according to claim 1, characterized in that in the at least one storage element ( 14 ) at least one deposition element ( 26 ) is arranged. 6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abscheideeelement (26) als Drahtgestrick ausgebildet ist. 6. Fuel cell system according to claim 5, characterized in that the separation element ( 26 ) is designed as a wire mesh. 7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abscheideeelement (26) als Filterpatrone ausgebildet ist. 7. Fuel cell system according to claim 5, characterized in that the separation element ( 26 ) is designed as a filter cartridge. 8. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitung (12) zum Zuführen von vorverdichtetem, sauerstoffhaltigem Gas zu dem Gaserzeugungssystem (6) mittels zweier Stutzen (24, 25) an der Speichereinrichtung (14) angeschlossen ist, wobei von einem der Stutzen (24, 25) eine Leitung (27) in das Innere der Speichereinrichtung (14) verläuft. 8. Fuel cell system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the supply line ( 12 ) for supplying precompressed, oxygen-containing gas to the gas generating system ( 6 ) by means of two nozzles ( 24 , 25 ) connected to the storage device ( 14 ), wherein from one of the sockets ( 24 , 25 ) a line ( 27 ) extends into the interior of the storage device ( 14 ).
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