DE102004022245B4 - Fuel cell system and method for its operation - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellensystem umfassend zumindest einen PEM-Brennstoffzellenstack und ein Feuchtigkeitsaustauschmodul, wobei das Feuchtigkeitsaustauschmodul ein Bündel von für Feuchtigkeit durchlässigen Hohlfasermembranen aufweist sowie ein Leitungselement zur Zuleitung eines die Hohlfasermembranen in einer Innenströmung durchströmenden Gasstroms, wobei sich der durchströmbare Querschnitt ausgehend von dem Querschnitt des Leitungselements auf den Querschnitt des Bündels der Hohlfasermembranen erweitert, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Zuleitung im Leitungselement (9) Mittel (12) vorgesehen sind, durch welche in der gesamten Gasströmung vor dem Einströmen in die Hohlfasermembranen eine Drallbewegung erzielbar ist.A fuel cell system comprising at least one PEM fuel cell stack and a moisture exchange module, wherein the moisture exchange module comprises a bundle of moisture permeable hollow fiber membranes and a conduit member for supplying a gas flow flowing through the hollow fiber membranes in an inner flow, wherein the flow-through cross section, starting from the cross section of the conduit element to the cross section the bundle of hollow-fiber membranes extended, characterized in that means (12) are provided in the region of the feed line in the conduit element (9), through which a swirling motion can be achieved in the entire gas flow before flowing into the hollow-fiber membranes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einem PEM-Brennstoffzellenstack und einem Feuchtigkeitsaustauschmodul mit einem Bündel von für Feuchtigkeit durchlässigen Hohlfasermembranen, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a fuel cell system with at least one PEM fuel cell stack and a moisture exchange module with a bundle of moisture permeable hollow fiber membranes, according to the closer defined in the preamble of claim 1.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.Furthermore, the invention relates to a method for operating the fuel cell system according to the invention.

Feuchtigkeitsaustauschmodule sind im Stand der Technik beschrieben, so zeigt beispielsweise die DE 102 14 078 A1 derartige Module, bei denen sich der Strömungsquerschnitt von dem eines Leitungselements auf den Querschnitt des zu durchströmenden Bündels der Hohlfasermembranen erhöht.Moisture exchange modules are described in the prior art, as the example shows DE 102 14 078 A1 Such modules in which the flow cross-section increases from that of a conduit element to the cross-section of the bundle of hollow-fiber membranes to be flowed through.

Dabei kommt es zu der Problematik, dass die Verteilung der Strömung auf den zu durchströmenden Querschnitt des Bündels der Hohlfasern sehr ungleichmäßig wird, insbesondere je kürzer die Lauflänge der Querschnittserweiterung in Strömungsrichtung ausfällt.This leads to the problem that the distribution of the flow on the cross section of the bundle of hollow fibers to be flowed through is very uneven, in particular the shorter the run length of the cross-sectional widening in the flow direction fails.

Beim Versuch ein möglichst kompaktes Feuchtigkeitsaustauschmodul zu bauen, ist nun aber gerade eine sehr gleichmäßige Verteilung auf den zu durchströmenden Querschnitt des Bündels der Hohlfasermembranen sehr wichtig, damit möglichst alle Hohlfasermembranen effektiv genutzt werden können und ein möglichst kurzes Bündel der Hohlfasermembranen ausreicht. Verbunden damit sollte nun jedoch auch ein kompakter, also ein eine geringe Lauflänge der Querschnittserweiterung aufweisender Einströmbereich realisiert werden.When trying to build a compact moisture exchange module as possible, but is now just a very uniform distribution to be flowed through the cross section of the bundle of hollow fiber membranes very important so that all possible hollow fiber membranes can be used effectively and as short as possible bundle of hollow fiber membranes sufficient. Associated with this, however, should now also a compact, so a low run length of the cross-sectional widening having inflow can be realized.

Diese Forderungen widersprechen sich jedoch bei den bekannten Feuchtigkeitsaustauschmodulen, wie oben beschrieben wurde.However, these requirements contradict the known moisture exchange modules as described above.

Die internationale Anmeldung WO 02/098543 A1 zeigt eine Einrichtung aus dem Bereich der Medizintechnik, welche zur Reinigung von Blut (Dialyse) eingesetzt wird. Die Kernfunktionalität der Einrichtung liegt darin, dass zwei Flüssigkeiten durch sie trennende Membranen hindurch Stoffe untereinander austauschen. Die Einrichtung weist eine Hohlfaseranordnung auf, die strömungslenkende Rippen besitzt, die der eintretenden Strömung eine Drall-Bewegung aufprägen. Durch die Drallbewegung soll eine Verteilung des zuströmenden Fluids auf die Membranen bewirkt werden.The international application WO 02/098543 A1 shows a device from the field of medical technology, which is used for the purification of blood (dialysis). The core functionality of the device is that two liquids exchange substances between them through membranes separating them. The device comprises a hollow fiber assembly having flow directing ribs which impart a twisting action to the incoming flow. The swirl movement is intended to effect a distribution of the inflowing fluid onto the membranes.

Die europäische Patentschrift EP 0 973 601 B1 offenbart einen resterilisierbaren Filter mit einem Hohlfasermembranbündel für den medizinischen Bereich. Der Filter weist in seiner Verschlusskappe einen Strömungsleitkörper auf, der der Bildung von Wirbeln entgegenwirkt.The European patent EP 0 973 601 B1 discloses a resterilizable filter having a hollow fiber membrane bundle for the medical field. The filter has in its cap on a flow guide, which counteracts the formation of vertebrae.

Das Patent US 3,517,821 A zeigt einen Zentrifugal-Separator, der zur Trennung von größeren und kleineren Teilchen eingesetzt wird sowie zur Trennung von festen und flüssigen Teilchen. Dazu weist der Zentrifugal-Separator ein schraubenförmiges Leitelement auf, das eine Drallströmung erzeugt.The patent US 3,517,821 A shows a centrifugal separator, which is used for the separation of larger and smaller particles and for the separation of solid and liquid particles. For this purpose, the centrifugal separator on a helical guide element, which generates a swirl flow.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 102 14 078 A1 offenbart ein Feuchtigkeitsaustauschmodul mit einen Bündel aus feuchtigkeitsdurchlässigen Hohlfasermembranen für die Befeuchtung von Gasen im Bereich der Brennstoffzellentechnik. Dabei strömt das trockene, zu befeuchtende Gas durch die Hohlfasermembranen hindurch und das feuchte Gas um die Hohlfasermembranen herum.The German patent application DE 102 14 078 A1 discloses a moisture exchange module comprising a bundle of moisture permeable hollow fiber membranes for humidifying gases in the field of fuel cell technology. In this case, the dry, to be humidified gas flows through the hollow fiber membranes and the moist gas around the hollow fiber membranes around.

Die deutsche Übersetzung der europäischen Patentschrift EP 0 763 384 B1 , DE 696 08 194 T2 offenbart einen Zentrifugalabscheider für die Trennung von Gas und Feststoffen. Der Zentrifugalabscheider wird im Bereich der Heizungstechnik eingesetzt. Er weist eine Fangnut zum Fangen und Führen von Feststoff-Teilchen auf.The German translation of the European patent specification EP 0 763 384 B1 . DE 696 08 194 T2 discloses a centrifugal separator for the separation of gas and solids. The centrifugal separator is used in the field of heating technology. It has a catching groove for catching and guiding solid particles.

Die europäische Patentanmeldung EP 1 323 478 A2 zeigt einen Dampf-Flüssigkeits-Trenner. Der Trenner weist ein schraubenförmiges Leitelement auf, das eine Drallströmung erzeugt, mit deren Hilfe Flüssigkeitströpfchen aus dem Gasstrom abgetrennt werden können.The European patent application EP 1 323 478 A2 shows a vapor-liquid separator. The separator has a helical guide element which generates a swirl flow with the aid of which liquid droplets can be separated from the gas stream.

Die deutsche Patentschrift DE 29 47 737 C2 zeigt einen Flüssigkeitsabscheider, der beispielsweise in Triebwerken von Hubschraubern zum Einsatz kommt, die in Seegebieten eingesetzt werden und bei denen die Gefahr besteht, dass Seewasserspritzer eingesaugt werden. Der Flüssigkeitsabscheider weist Drallschaufeln auf, die der Gemischströmung einen Wirbel aufprägen und die Flüssigkeitstropfen nach außen ableiten.The German patent DE 29 47 737 C2 shows a liquid separator, which is used for example in engines of helicopters, which are used in sea areas and where there is a risk that seawater splashes are sucked. The liquid separator has swirl vanes, which impart a vortex to the mixture flow and discharge the liquid droplets to the outside.

Die deutsche Übersetzung der europäischen Patentschrift EP 0 312 910 B1 , DE 38 79 082 T2 offenbart ein Modul zur Anreicherung von Sauerstoff. Das Modul umfasst ein Bündel aus sauerstoffanreichernden Hohlfasern, die in einer Behälterzelle angeordnet sind. An einem Ende der Behälterzelle befindet sich ein Luft-Axialgebläse mit Flügeln, die durch einen Elektromotor angetrieben werden können. Der Querschnitt der Luft-Zulaufkammer stimmt mit dem Querschnitt des Membranbündels überein, sodass das zu behandelnde Gas, d. h. die Luft, über den Querschnitt des Membranbündels verteilt wird.The German translation of the European patent specification EP 0 312 910 B1 . DE 38 79 082 T2 discloses a module for the enrichment of oxygen. The module comprises a bundle of oxygen-enriching hollow fibers arranged in a container cell. At one end of the container cell is an air-axial fan with vanes that can be driven by an electric motor. The cross section of the air inlet chamber coincides with the cross section of the membrane bundle, so that the gas to be treated, ie the air, is distributed over the cross section of the membrane bundle.

Dem Patent US 6,653,012 B2 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer PEM-Brennstoffzelle und einem ein Hohlfasermembranbündel umfassendes Befeuchtermodul entnehmbar. Über ein Leitungselement wird dem Befeuchtermodul feuchtes Kathodenabgas zugeführt. Zudem ist entnehmbar, dass der Querschnitt des Leitungselements sich vom Einlassquerschnitt bis auf den Querschnitt des Hohlfasermembranbündels erweitert. Das Befeuchtermodul dient dazu, von einem Kompressor gelieferte Zuluft eines Brennstoffzellensystems mittels feuchtem Kathodenabgas zu befeuchten, wobei die Zuluft entlang der äußeren Oberflächen der Hohlfasermembranen und das Abgas innen strömt. Darüber hinaus weist das Befeuchtermodul Mittel zum Erzielen einer turbulenten Strömung sowohl auf Zuluft- wie Abgasseite auf. Hierbei sind beispielsweise innen im Eingangsbereich der Hohlfasermembranen gewundene Leitbleche angebracht.The patent US 6,653,012 B2 is a fuel cell system including a PEM fuel cell and a hollow fiber membrane bundle Humidifier module removable. Via a line element humid cathode exhaust gas is supplied to the humidifier module. In addition, it can be seen that the cross section of the conduit element widens from the inlet cross section to the cross section of the hollow fiber membrane bundle. The humidifier module serves to humidify supplied by a compressor supply air of a fuel cell system by means of wet cathode exhaust gas, the supply air along the outer surfaces of the hollow fiber membranes and the exhaust gas flows inside. In addition, the humidifier module has means for achieving a turbulent flow on both supply and exhaust side. Here, for example, inside the entrance area of the hollow-fiber membranes wound baffles are mounted inside.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 198 39 754 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgas, insbesondere Kraftfahrzeugabgasen, die im Innern eines Gehäuses ein Katalysator-Trägermaterial aus Wabenmonolithen, bestehend aus parallel zueinander verlaufenden Kanälen, enthält. Die Vorrichtung weist des Weiteren ein konusförmiges Einlaufrohr auf, dessen Durchmesser vom Zuführungsrohr zum Gehäuse des Katalysators hin zunimmt. Aufgabe ist es, ein gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil der Abgasströmung über den gesamten Querschnitt des Katalysators einzustellen. Ein unkontrolliertes Verwirbeln der Abgase soll dabei vermieden werden. Dies wird dadurch erreicht, dass insbesondere im Bereich des Zuführungsrohrs ein Drall erzeugendes Leitelement angebracht ist. Die Leitelemente sind so ausgebildet, dass lediglich den radialen Bereichen der Gasströmung ein Drall vermittelt wird, während zentrale Bereiche nicht oder nur wenig beeinflusst werden.The German patent application DE 198 39 754 A1 relates to an apparatus for purifying exhaust gas, in particular motor vehicle exhaust gases, containing inside a housing a catalyst carrier material of honeycomb monoliths, consisting of mutually parallel channels. The device further comprises a cone-shaped inlet pipe whose diameter increases from the feed tube to the housing of the catalyst. The task is to set a uniform velocity profile of the exhaust gas flow over the entire cross-section of the catalyst. An uncontrolled turbulence of the exhaust gases should be avoided. This is achieved in that, in particular in the region of the feed tube, a swirl-producing guide element is attached. The guide elements are designed so that only the radial areas of the gas flow, a twist is mediated, while central areas are not or only slightly affected.

In der japanische Patentzusammenfassung JP 05033975 A wird ein Befeuchter mit einem Bündel wasserdampfdurchlässiger Röhren zum Befeuchten von Luft und einem „supply head” für die Zuführung von Wasser zu den Röhren beschrieben.In the Japanese Patent Abstract JP 05033975 A For example, a humidifier is described with a bundle of water vapor permeable tubes for humidifying air and a supply head for supplying water to the tubes.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einem Feuchtigkeitsaustauschmodul zu schaffen, welches sehr kompakt und Platz sparend realisiert werden kann.The object of the invention is to provide a fuel cell system with at least one moisture exchange module, which can be realized very compact and space-saving.

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

Um eine möglichst gleichmäßige Anströmung des zur Verfügung stehenden Querschnitts aller Hohlfasermembranen des Bündels zu erreichen und somit die Austauschoberfläche und damit letztendlich auch die Länge des Bündels bzw. des gesamten Feuchtigkeitsaustauschmoduls minimieren zu können, ist eine gute Verteilung des einströmenden Gasstroms nötig. Damit nun, trotz des sich zwangläufig erweiternden Querschnitts, eine gleichmäßige Verteilung des Gasstroms auf den Querschnitt des Bündels der Hohlfasermembranen erreicht wird, sind die Mittel zum Erzeugen einer Drallbewegung in dem Gasstrom vorgesehen. Durch die so erzielte Drallbewegung des Gasstroms kann eine sehr gute Verteilung auch bei einer sehr geringen Lauflänge des Gasstroms nach der Erweiterung des Querschnitts erzielt werden. Somit erlaubt es die Erfindung ein außerordentlich kompaktes Brennstoffzellensystem mit Feuchtigkeitsaustauschmodul zu realisieren.In order to achieve a uniform flow of the available cross-section of all hollow fiber membranes of the bundle and thus to minimize the exchange surface and thus ultimately the length of the bundle or the entire moisture exchange module, a good distribution of the incoming gas stream is necessary. So that, in spite of the inevitably widening cross-section, a uniform distribution of the gas flow to the cross-section of the bundle of hollow-fiber membranes is achieved, the means for generating a swirling motion in the gas flow are provided. By the swirling motion of the gas stream thus obtained, a very good distribution can be achieved even with a very small run length of the gas stream after the extension of the cross section. Thus, the invention allows to realize an extremely compact fuel cell system with moisture exchange module.

Ein Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 mit Feuchtigkeitsaustauschmodul ergibt sich aus Anspruch 11.A method for operating the fuel cell system according to the invention 1 with moisture exchange module results from claim 11.

Das Feuchtigkeitsaustauschmodul kann insbesondere zum Trocknen und Befeuchten von Prozessgasströmen, beispielsweise zum Befeuchten der Zuluft zu einer Brennstoffzelle oder einem Gaserzeugungssystem mittels des feuchten Abgases aus der Brennstoffzelle, eingesetzt werden. Je nach Aufbau und Einsatz eines derartigen Brennstoffzellensystems, beispielsweise als Antriebssystem in Fahrzeugen, kommt der kompakten und leichten Bauweise bei dennoch sehr hoher Feuchtigkeitsaustauschrate eine entscheidende Bedeutung zu. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mit Feuchtigkeitsaustauschmodul wird diesen Anforderungen gerecht und stellt damit ein sehr gutes Feuchtigkeitsaustauschmodul für die oben genannte Verwendung dar.The moisture exchange module can be used in particular for drying and humidifying process gas streams, for example for humidifying the supply air to a fuel cell or a gas generation system by means of the moist exhaust gas from the fuel cell. Depending on the structure and use of such a fuel cell system, for example as a drive system in vehicles, the compact and lightweight design with still very high moisture exchange rate is crucial. The fuel cell system according to the invention with moisture exchange module meets these requirements and thus represents a very good moisture exchange module for the above-mentioned use.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem mit Feuchtigkeitsaustauschmodul ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert werden.Further advantageous embodiments of the fuel cell system according to the invention with moisture exchange module will become apparent from the remaining dependent claims and from the embodiments, which are explained below with reference to the drawing.

Dabei zeigen:Showing:

1 ein schematisch angedeutetes Brennstoffzellensystem mit einem Feuchtigkeitsaustauschmodul gemäß der Erfindung; 1 a schematically indicated fuel cell system with a moisture exchange module according to the invention;

2 eine erste Ausführungsform eines schematisierten Einströmbereichs des Feuchtigkeitsaustauschmoduls des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems im Längsschnitt; 2 a first embodiment of a schematic inflow region of the moisture exchange module of the fuel cell system according to the invention in longitudinal section;

3 eine Ausführungsform eines Mittels zum Erzeugen einer Drallbewegung in dem Gasstrom im Querschnitt; 3 an embodiment of a means for generating a swirling motion in the gas stream in cross section;

4 eine weitere Ausführungsform eines Mittels zum Erzeugen einer Drallbewegung in dem Gasstrom im Querschnitt; und 4 a further embodiment of a means for generating a swirling motion in the gas stream in cross section; and

5 eine weitere Ausführungsform eines schematisierten Einströmbereichs des Feuchtigkeitsaustauschmoduls des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems im Längsschnitt. 5 a further embodiment of a schematic inflow region of the moisture exchange module of the fuel cell system according to the invention in longitudinal section.

In 1 ist ein sehr stark schematisiertes Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen. Dieses umfasst eine Brennstoffzelle 2, bei welcher ein Kathodenraum 3 mittels einer protonenleitenden Membran (PEM) 4 von einem Anodenraum 5 abgetrennt ist. Die Brennstoffzelle 2 kann dabei in an sich bekannter Weise aus Wasserstoff (H2) in ihrem Anodenraum 5 und Luft in ihrem Kathodenraum 3 elektrische Leistung erzeugen. Die Brennstoffzelle 2 kann als einzelne Brennstoffzelle, insbesondere jedoch als eine Anordnung vieler Brennstoffzellen, als ein so genannter Brennstoffzellenstack, aufgebaut sein. Um die protonenleitende Membran 4 vor Austrocknung und somit einer Schädigung zu schützen wird die dem Kathodenraum 3 über einen Kompressor 6 zugeführte Luft in einem schematisch angedeuteten Feuchtigkeitsaustauschmodul 7 durch die aus der Brennstoffzelle 2 strömenden Abgase befeuchtet.In 1 is a very highly schematized fuel cell system 1 to recognize. This includes a fuel cell 2 in which a cathode compartment 3 by means of a proton-conducting membrane (PEM) 4 from an anode room 5 is separated. The fuel cell 2 can in a conventional manner from hydrogen (H 2 ) in its anode compartment 5 and air in her cathode room 3 generate electrical power. The fuel cell 2 may be constructed as a single fuel cell, but especially as an array of many fuel cells, as a so-called fuel cell stack. To the proton-conducting membrane 4 To protect against dehydration and thus damage to the cathode space 3 via a compressor 6 supplied air in a schematically indicated moisture exchange module 7 through the out of the fuel cell 2 moistening exhaust gases moistened.

In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 mit Feuchtigkeitsaustauschmoduls 7 strömt das feuchte Abgas der Brennstoffzelle 2 durch ein Bündel 8 von Hohlfasermembranen, deren äußere Oberflächen von der zu befeuchtenden Luft für die Brennstoffzelle 2 umströmt werden. Die in dem Abgas vorhandene Feuchtigkeit wird durch die für Wasserdampf durchlässigen Hohlfasermembranen auf die zu dem Kathodenraum 3 strömende Luft übertragen, so dass diese befeuchtet wird und ihrerseits die protonenleitende Membran 4 befeuchtet. Die protonenleitende Membran 4 ist so vor einer Austrocknung und damit einer Schädigung bzw. vorzeitigen Alterung geschützt.In the embodiment of the fuel cell system shown here 1 with moisture exchange module 7 the moist exhaust gas of the fuel cell flows 2 through a bundle 8th of hollow fiber membranes whose outer surfaces of the air to be humidified for the fuel cell 2 to be flowed around. The moisture present in the exhaust gas is passed through the water vapor permeable hollow fiber membranes to the cathode compartment 3 transferred flowing air, so that it is moistened and in turn the proton-conducting membrane 4 moistened. The proton-conducting membrane 4 is thus protected against dehydration and thus damage or premature aging.

Da in den Hohlfasermembranen selbst ein höherer Druckverlust herrscht, als beim Umströmen derselben, ist die hier dargestellte Anordnung des Kompressors 6 besonders effizient, da so bei gleicher Kompressorleistung ein höherer Innendruck in der Brennstoffzelle 2 erzielt werden kann. Somit lässt sich bei vorgegebenem Innendruck einerseits die Größe und Leistung des Kompressors 6 sowie dessen Energieverbrauch minimieren, bei vorgebender Größe und Leistung des Kompressors 6 andererseits der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 2 aufgrund der verbesserten Thermodynamik bei höherem Innendruck steigern.Since a higher pressure loss prevails in the hollow-fiber membranes themselves than in the same, the arrangement of the compressor shown here is the same 6 particularly efficient, because so with the same compressor performance, a higher internal pressure in the fuel cell 2 can be achieved. Thus, at a given internal pressure on the one hand, the size and performance of the compressor 6 and minimize its energy consumption, given the size and performance of the compressor 6 on the other hand, the efficiency of the fuel cell 2 increase due to the improved thermodynamics at higher internal pressure.

Je nach eingesetztem Brennstoffzellensystem 1 wird der Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 2 mit Wasserstoff aus ein Wasserstoffvorrat oder mit Wasserstoff, welcher durch einen Gaserzeugungssystem z. B. aus einem flüssigen Kohlenwasserstoff erzeugt wurde, versorgt. Der Anodenraum 5 wird bei einem reinen Wasserstoffsystem im Dead-End-Betrieb oder mit einem Anoden-Loop betrieben, während bei in dem Gaserzeugungssystem erzeugten Wasserstoff Restgase aus dem Anodenraum 5 als Abgas abgeführt werden. Dementsprechend kann das zur Befeuchtung genutzte feuchten Abgas entweder aus dem Kathodenraum 3 alleine oder aus dem Kathodenraum 3 und dem Anodenraum 5 gemeinsam stammen, wie es in 1 durch die gestrichelte Verbindung zwischen dem Anodenraum 5 und dem Abgas aus dem Kathodenraum 3 angedeutet ist.Depending on the fuel cell system used 1 becomes the anode compartment 5 the fuel cell 2 with hydrogen from a hydrogen reserve or with hydrogen, which by a gas generating system z. B. from a liquid hydrocarbon was supplied. The anode compartment 5 is operated in a pure hydrogen system in the dead-end mode or with an anode loop, while hydrogen generated in the gas generating system residual gases from the anode compartment 5 be discharged as exhaust gas. Accordingly, the moist exhaust gas used for humidification may be either from the cathode compartment 3 alone or from the cathode compartment 3 and the anode compartment 5 come together as it is in 1 through the dashed connection between the anode compartment 5 and the exhaust gas from the cathode compartment 3 is indicated.

Je nach eingesetztem Brennstoffzellensystem 1 kann die befeuchtete Zuluft zumindest teilweise auch anderweitig eingesetzt werden, z. B. zum Bereitstellen wenigstens eines Teils der benötigten Wassermenge für die Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases, z. B. aus einem flüssigen Kohlenwasserstoff mittels autothermer Reformierung, Dampfreformierung und einer ggf. nachgeschalteten Wassergasshiftstufe, wie dies beispielsweise in der DE 103 09 794 A1 ausgeführt ist.Depending on the fuel cell system used 1 the humidified supply air can at least partially be used elsewhere, for. B. for providing at least a portion of the required amount of water for the generation of a hydrogen-containing gas, for. B. from a liquid hydrocarbon by means of autothermal reforming, steam reforming and optionally downstream Wassergasshiftstufe, as for example in the DE 103 09 794 A1 is executed.

Die folgenden Ausführungen beziehen sich jeweils auf dieses oben dargelegte Ausführungsbeispiel des Feuchtigkeitsaustauschmoduls 7 in dem Brennstoffzellensystem 1. Die Erfindung soll jedoch nicht auf derartige Anwendungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 mit Feuchtigkeitsaustauschmodul 7 eingeschränkt sein.The following statements each relate to this embodiment of the moisture exchange module set forth above 7 in the fuel cell system 1 , However, the invention is not intended to such applications of the fuel cell system according to the invention 1 with moisture exchange module 7 to be disabled.

In 2 ist ein Teil eines Feuchtigkeitsaustauschmoduls 7 dargestellt. Dieses umfasst in dem dargestellten Bereich einen Teil des Bündels 8 an Hohlfasermembranen, ein Leitungselement 9 zur Zuführung des feuchten Gasstroms, hier des Brennstoffzellenabgases, sowie einen Einströmbereich 10, in welchem sich der Gasstrom verteilt, ehe er die Hohlfasermembranen in Richtung einer Längsachse 11 des Bündels 8 an Hohlfasermembranen durchströmt.In 2 is part of a moisture exchange module 7 shown. This includes part of the bundle in the illustrated area 8th on hollow fiber membranes, a conduit element 9 for supplying the moist gas stream, here the fuel cell exhaust gas, as well as an inflow region 10 in which the gas stream disperses before moving the hollow fiber membranes in the direction of a longitudinal axis 11 of the bunch 8th flows through hollow fiber membranes.

Um eine möglichst gleichmäßige Anströmung des zur Verfügung stehenden Querschnitts aller Hohlfasermembranen des Bündels 8 zu erreichen und somit die Austauschoberfläche und damit letztendlich auch die Länge des Bündels 8 bzw. des gesamten Feuchtigkeitsaustauschmoduls 7 minimieren zu können, ist eine gute Verteilung des einströmenden Gasstroms in dem Einströmbereich 10 nötig. Damit nun trotz der Anordnung des Leitungselements 9 in dem sich hier sprungartig erweiternden Einströmbereich 10 – denkbar wäre hier auch eine Erweiterung des Einströmbereichs in mehreren Stufen – eine gleichmäßige Verteilung des Gasstroms auf den Querschnitt des Einströmbereichs 10 und insbesondere auf den Querschnitt des Bündels 8 der Hohlfasermembranen erreicht wird, ist in dem Leitungselement 9 ein Mittel 12 zum Erzeugen einer Drallbewegung in dem Gasstrom vorgesehen. Durch die so erzielte Drallbewegung des Gasstroms kommt es zu einer sehr guten Verteilung des Gasstroms im Einströmbereich 10, auch bei einer sehr geringen Länge des Einströmbereichs 10 in Strömungsrichtung des Gasstroms in den Hohlfasermembranen. Mit dem Aufbau gemäß 1 lässt sich also ein außerordentlich kompaktes Feuchtigkeitsaustauschmodul 7 realisieren.In order to achieve as uniform a flow as possible of the available cross-section of all the hollow-fiber membranes of the bundle 8th to reach and thus the exchange surface and thus ultimately the length of the bundle 8th or the entire moisture exchange module 7 To minimize, is a good distribution of the inflowing gas flow in the inflow area 10 necessary. So now despite the arrangement of the line element 9 in the here abruptly expanding inflow area 10 - It would be conceivable here also an extension of the inflow in several stages - a uniform distribution of the gas flow to the cross section of the inflow 10 and in particular to the cross-section of the bundle 8th the hollow fiber membranes is reached is in the conduit element 9 a means 12 for generating a swirling motion in the gas stream. By the thus obtained swirling motion of the gas flow it comes to a very good distribution of the gas flow in the inflow area 10 , even with a very small length of the inflow 10 in the flow direction of the gas stream in the hollow fiber membranes. With the structure according to 1 So it is an extremely compact moisture exchange module 7 realize.

In besonders günstiger Weise sind die Mittel 12 zum Erzeugen einer Drallbewegung in dem Gasstrom in das Leitungselement 9 integriert. Somit kann mit im Durchmesser vergleichsweise kleinen und im Falle einer Verstopfung gut zugänglichen Mitteln eine Drallbewegung erzeugt werden, welche dann im Einströmbereich die Möglichkeit hat, eine gleichmäßige Verteilung auszubilden.In a particularly favorable manner, the funds 12 for generating a swirling motion in the gas flow into the conduit element 9 integrated. Thus, with relatively small diameter and easily accessible in the case of a blockage means a swirling motion can be generated, which then has the possibility in the inflow region to form a uniform distribution.

Das in 2 nur exemplarisch angedeutete Mittel 12 zum Erzeugen einer Drallbewegung in dem Gasstrom kann beispielsweise aus einem in sich verdrehten Streifen eines flächigen Materials bestehen, so dass ein spiralförmig/schraubenförmig ausgebildetes Element entsteht. Der Streifen kann z. B. aus einem Blech aus korrosionsbeständigem Metall oder dergleichen hergestellt sein. Er ist dann im Querschnitt linear, also als gerade oder gekrümmte Linie, ausgebildet, so dass sich in einer Schnittdarstellung des Mittels 12 eine Ansicht ergibt, wie sie in 3 schematisch dargestellt ist. Analog dazu wäre auch ein in sich verdrehtes Element denkbar, welches im Querschnitt sternförmig mit wenigstens drei Strahlen ausgebildet ist. Ein derartiges Element ist in 4 im Querschnitt exemplarisch angedeutet. Es kann aus verschweißten oder verklebten Blechstreifen ebenso hergestellt werden wie beispielsweise aus einem Strangpressprofil. Entgegen der Darstellung in den 3 und 4 können die Linie bzw. die Strahlen auch gerade geformt sein. Da sich aber bei der einfachsten Herstellung durch reines Verdrehen des Elements in sich eine eher gekrümmte Form der Linien einstellt, und da diese strömungstechnisch aufgrund der unterschiedlichen starken Beschleunigungen des Gasstroms je nach Abstand von der mittigen Längsachse des Leitungselements 9 ohnehin günstig sind, wären hier gekrümmte Linien zu bevorzugen.This in 2 only means indicated by way of example 12 for generating a swirling motion in the gas stream, for example, consist of a twisted strip of a sheet material, so that a spiral / helical element formed. The strip can z. B. be made of a sheet of corrosion-resistant metal or the like. It is then linear in cross-section, ie as a straight or curved line, formed so that in a sectional view of the agent 12 gives a view as they are in 3 is shown schematically. Similarly, a twisted in element would be conceivable, which is formed in a star shape in cross section with at least three beams. Such an element is in 4 indicated in cross section by way of example. It can be made of welded or glued metal strips as well as for example of an extruded profile. Contrary to the presentation in the 3 and 4 The line or the rays can also be straight. However, since in the simplest production by purely twisting of the element in a rather curved shape of the lines sets, and there these fluidly due to the different strong accelerations of the gas flow depending on the distance from the central longitudinal axis of the conduit element 9 Anyway, curved lines would be preferable here.

Um eine ausreichende Drallbewegung des Gasstroms bei vertretbarem Strömungswiderstand in demselben zu erreichen, kann das Element bzw. der Streifen um ca. 70° bis 270°, insbesondere um eine halbe Umdrehung (180°) verdreht sein. Dem einströmenden Gasstrom wird somit bei vertretbarem Aufwand hinsichtlich des durch das Mittel 12 erzeugten Strömungswiderstands eine ausreichende Drallbewegung mitgegeben, um sich gleichmäßig auch in einem kurzen Einströmbereich 10 verteilen zu können.In order to achieve a sufficient swirling movement of the gas flow with reasonable flow resistance in the same, the element or the strip may be rotated by about 70 ° to 270 °, in particular by half a turn (180 °). The inflowing gas flow is thus at a reasonable cost in terms of by the means 12 flow resistance generated sufficient swirling motion to evenly in a short inflow 10 to be able to distribute.

In der Ausgestaltung des Feuchtigkeitsaustauschmoduls 7 gemäß 2 sind ferner Mittel zum Abscheiden von Flüssigkeit aus dem Gasstrom vorgesehen. Neben prinzipiell verschiedenen denkbaren Ausführungen dieser Mittel, beispielsweise in Form von Gestricken oder Gittern, ist hier eine sehr einfache und effiziente Form der Mittel zum Abscheiden von Flüssigkeit gewählt.In the embodiment of the moisture exchange module 7 according to 2 Furthermore, means for separating liquid from the gas stream are provided. In addition to principally different conceivable embodiments of these means, for example in the form of knitted or grids, a very simple and efficient form of means for separating liquid is chosen here.

Die Mittel zum Abscheiden von Flüssigkeit weisen in der in 2 dargestellten Ausführungsform eine Nut 13 auf, welche in einem Gehäuse 14 des Einströmbereichs 10 ausgebildet ist. Die Nut 13 ist dabei in einem Bereich angeordnet, in welchem der Gasstrom aufgrund seiner Drallbewegung entlang des Gehäuses 14 des Einströmbereichs 10 strömt, so dass sich in dem Gasstrom befindliche Flüssigkeitströpfchen aufgrund der Fliehkraft in dem Bereich des Gehäuses 14 sammeln in dem die Nut 13 angeordnet ist. Aus dem Bereich der Nut 13 kann die sich sammelnde Flüssigkeit dann über hier nicht dargestellte Mittel, beispielsweise ein Ventil oder eine Ablaufrinne aus dem Einströmbereich 10 entfernt werden.The means for separating liquid have in the 2 illustrated embodiment a groove 13 on which in a housing 14 of the inflow area 10 is trained. The groove 13 is arranged in an area in which the gas flow due to its swirl movement along the housing 14 of the inflow area 10 flows, so that located in the gas flow liquid droplets due to the centrifugal force in the region of the housing 14 Collect in which the groove 13 is arranged. From the area of the groove 13 the collecting liquid can then by means not shown here, for example, a valve or a gutter from the inflow 10 be removed.

Grundlegend bieten die Mittel zum Abscheiden von Flüssigkeit aus dem Gasstrom dabei den entscheidenden Vorteil, dass Flüssigkeitströpfchen aus dem Gasstrom entfernt werden, so dass die Hohlfasermembranen von einer reinen Einphasenströmung aus Gas bzw. Dampf durchströmt werden. Eine solche Einphasenströmung ermöglicht dabei einen deutlich geringeren Druckverlust in den Hohlfasermembranen des Bündels 8 als eine Zweiphasenströmung mit Gas bzw. Dampf und schwebenden flüssigen Teilchen. Ferner kann ggf. ein Zusetzen der geringen Querschnitte der Hohlfasermembranen durch die flüssigen Teilchen verhindert werden. Die Mittel zum Abscheiden von Flüssigkeit ermöglichen die hier dargestellte Verschaltung des Feuchtigkeitsaustauschmoduls 7, ohne dass dieses hinsichtlich der Austauschleistung und Größe aus Überlegungen der Betriebssicherheit, Druckverlustminimierung und Zuverlässigkeit heraus entsprechend überdimensioniert ausgebildet werden müsste.Basically, the means for separating liquid from the gas stream thereby offer the decisive advantage that liquid droplets are removed from the gas stream, so that the hollow-fiber membranes are flowed through by a pure single-phase flow of gas or vapor. Such a single-phase flow allows a significantly lower pressure loss in the hollow-fiber membranes of the bundle 8th as a two-phase flow with gas or vapor and suspended liquid particles. Further, if necessary, clogging of the small cross sections of the hollow fiber membranes by the liquid particles can be prevented. The means for separating liquid allow the connection of the moisture exchange module shown here 7 , without this in terms of the exchange performance and size from considerations of reliability, pressure loss minimization and reliability would have to be designed according oversized.

Die Ausführungsform des Einströmbereichs 10, welche in 5 dargestellt ist, unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Ausführung lediglich dadurch, dass die Erweiterung des Querschnitts nicht sprungartig oder in Stufen, sondern kontinuierlich erfolgt. Auch hier muss dabei hervorgehoben werden, dass die Gasströmung in den sehr kurz ausgebildeten Einströmbereich 10 aufgrund der durch das Mittel 12 erzielten Drallbewegung sehr gut verteilt ist. Der Einströmbereich 10 kann so um ein Vielfaches kürzer ausgeführt werden, als bei einem idealen Diffusor, also einer kontinuierlichen Querschnittserweiterung in der Art, dass sich die Strömung nicht als turbulente Strömung von den Wänden derselben ablöst.The embodiment of the inflow area 10 , what a 5 is different from the one in 1 illustrated embodiment only in that the extension of the cross section is not sudden or in stages, but continuously. Again, it must be emphasized that the gas flow in the very short inflow 10 because of by the means 12 achieved twisting movement is very well distributed. The inflow area 10 can be performed much shorter than with an ideal diffuser, so a continuous cross-sectional widening in the way that the flow does not detach as a turbulent flow from the walls thereof.

Die Mittel zum Abscheiden der flüssigen Teilchen sind hier ebenfalls als Nut 13 ausgeführt. Allerdings ist diese Nut 13 im Bereich des Leitungselements 9 angeordnet. Wegen der auch in diesem Bereich aufgrund der Drallbewegung des Gasstroms bereits herrschenden Fliehkräfte ergibt sich ein vergleichbarer Effekt, wie oben beschrieben. Somit kommt es auch hier zu einer sehr guten Abscheidung der flüssigen Teilchen in der Nut 13.The means for separating the liquid particles are also here as a groove 13 executed. However, this groove is 13 in the region of the line element 9 arranged. Because of the centrifugal forces already prevailing in this area due to the swirling motion of the gas flow, a comparable effect results, as described above. Thus, too, there is a very good separation of the liquid particles in the groove 13 ,

Sämtliche hier dargestellten Ausführungsformen des Einströmbereichs 10 des Feuchtigkeitsaustauschmoduls 7, jeweils mit verschiedenen Mitteln 12 zum Erzeugen der Drallbewegung in dem Gasstrom und verschiedenen Mitteln zum Abscheiden von Flüssigkeit, können dabei beliebig miteinander kombiniert werden.All embodiments of the inflow area shown here 10 of the moisture exchange module 7 , each with different means 12 for generating the swirling motion in the gas stream and various means for separating liquid, can be combined with each other arbitrarily.

Claims (11)

Brennstoffzellensystem umfassend zumindest einen PEM-Brennstoffzellenstack und ein Feuchtigkeitsaustauschmodul, wobei das Feuchtigkeitsaustauschmodul ein Bündel von für Feuchtigkeit durchlässigen Hohlfasermembranen aufweist sowie ein Leitungselement zur Zuleitung eines die Hohlfasermembranen in einer Innenströmung durchströmenden Gasstroms, wobei sich der durchströmbare Querschnitt ausgehend von dem Querschnitt des Leitungselements auf den Querschnitt des Bündels der Hohlfasermembranen erweitert, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Zuleitung im Leitungselement (9) Mittel (12) vorgesehen sind, durch welche in der gesamten Gasströmung vor dem Einströmen in die Hohlfasermembranen eine Drallbewegung erzielbar ist.A fuel cell system comprising at least one PEM fuel cell stack and a moisture exchange module, wherein the moisture exchange module comprises a bundle of moisture permeable hollow fiber membranes and a conduit member for supplying a gas flow flowing through the hollow fiber membranes in an inner flow, wherein the flow-through cross section, starting from the cross section of the conduit element to the cross section of the bundle of hollow-fiber membranes, characterized in that in the region of the feed line in the line element ( 9 ) Medium ( 12 ) are provided, through which a swirling motion can be achieved in the entire gas flow before flowing into the hollow fiber membranes. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (12) als in Strömungsrichtung des Gasstroms spiralförmig oder schraubenförmig ausgebildete Elemente ausgeführt sind.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the means ( 12 ) are designed as helical or helical in the flow direction of the gas stream formed elements. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Strömung zuerst angeströmte Ende der Mittel (12) gegenüber dem anderen Ende der Mittel um 70 bis 270° verdreht ausgebildet ist.Fuel cell system according to Claim 2, characterized in that the end of the means first flown by the flow ( 12 ) is designed to be twisted by 70 to 270 ° with respect to the other end of the means. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (12) im Querschnitt linear ausgebildet sind.Fuel cell system according to claim 2 or 3, characterized in that the means ( 12 ) are linear in cross-section. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (12) im Querschnitt sternförmig mit wenigstens drei Strahlen ausgebildet sind.Fuel cell system according to claim 2 or 3, characterized in that the means ( 12 ) are formed in a cross-section star-shaped with at least three beams. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterung des durchströmbaren Querschnitts kontinuierlich erfolgt.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the extension of the flow-through cross-section is continuous. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterung des durchströmbaren Querschnitts in wenigstens einem Sprung erfolgt.Fuel cell system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the extension of the flow-through cross-section takes place in at least one jump. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (12) aus Blech ausgebildet sind.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the means ( 12 ) are formed of sheet metal. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung vor den Hohlfasermembranen Mittel zum Abscheiden von flüssigen Teilchen vorgesehen sind.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that means for separating liquid particles are provided in the flow direction in front of the hollow-fiber membranes. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abscheiden von flüssigen Teilchen als Nut (13) in einer Wandung der Zuleitung und/oder des Bereichs der Querschnittserweiterung ausgebildet sind.Fuel cell system according to claim 9, characterized in that the means for separating liquid particles as groove ( 13 ) are formed in a wall of the supply line and / or the region of the cross-sectional widening. Verfahren zum Betrieb des Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Feuchtigkeitsaustauschmodul (7) Zuluft zu dem Brennstoffzellensystem (1) befeuchtet wird, wobei die Zuluft mittels einer Kompressionseinrichtung (6) entlang der äußeren Oberflächen der Hohlfasermembranen in das Brennstoffzellensystem (1) gefördert wird, während ein feuchtes Abgas aus wenigstens einer Brennstoffzelle (2) des Brennstoffzellensystems (1) die Hohlfasermembranen durchströmt.Method for operating the fuel cell system according to one of claims 1 to 10, characterized in that by the moisture exchange module ( 7 ) Supply air to the fuel cell system ( 1 ) is humidified, wherein the supply air by means of a compression device ( 6 ) along the outer surfaces of the hollow fiber membranes into the fuel cell system ( 1 ), while a moist exhaust gas from at least one fuel cell ( 2 ) of the fuel cell system ( 1 ) flows through the hollow fiber membranes.
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