WO2008000001A1 - Method and apparatus for conditioning an o2-containing gas - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to methods and apparatus for conditioning an O 2 -containing gas, preferably air, for operating a low-temperature fuel cell, preferably a PEM fuel cell, having a cathode-side supply line receiving the O 2 -containing gas and discharging the cathode exhaust gas
  • the cathode-side discharge line wherein the cathode-side supply line is divided by a control valve into a first and a second branch line and one of the branch lines is guided by a humidifying device acted upon by cathode exhaust gas.
  • Low-temperature fuel cells of the type described above can also be combined to form so-called fuel cell stacks, with all the following statements being valid both for devices with single cells and those with fuel cell stacks.
  • O 2 -containing gases for example air
  • this conditioning is carried out by moistening the air, usually after their compression, wherein for wetting preferably the water contained in the cathode exhaust gas can be used.
  • the cathode exhaust gas of low-temperature fuel cells consists essentially of N 2 , O 2 and H 2 O, wherein the water is contained depending on the operating state of the fuel cell vapor and / or liquid in the cathode exhaust gas.
  • a method for humidifying process gas for the operation of a fuel cell using only product water in which the O 2 -containing gas for the cathode through the water vapor-containing cathode exhaust via a first humidifier and the H 2 -containing fuel gas for the anode is humidified by the water vapor-containing anode exhaust gas via a second moistening device.
  • the cathode-side supply line and the cathode-side discharge line is guided via a first countercurrent heat exchanger, which has a humidifying device in the form of a condensate trap with Venturi nozzle for feeding the condensate.
  • a second, similar heat exchanger / moistening device is available for the anode-side supply line and the anode-side discharge line.
  • US Pat. No. 6,656,620 B2 discloses a humidification system for a fuel cell, in which the cathode exhaust gas is passed through a humidifier, which has a large number of lamellar water-permeable inside. Siger membranes, wherein in each case one side of the membrane facing the cathode exhaust gas and the other side of the membrane of the supplied air.
  • the cathode-side supply line for the air has a first branch which bypasses the humidifier, and a second branch which is guided through the humidifier.
  • In the bypass line is a control valve, with which the partial flows in the two branch lines can be regulated in terms of volume, so that the content of moisture in the recombined branch lines can be controlled in wide areas depending on the operating parameters of the fuel cell.
  • a disadvantage of the known solution is the fact that changes the required heat of vaporization, the temperature of the guided through the humidifier gas flow and the two parameters humidity and temperature are not independently adjustable.
  • the object of the invention is to propose a method and a device for conditioning an O 2 -containing gas, preferably air, for the operation of a low-temperature fuel cell or a fuel cell stack, in which at least the parameters humidity of the air (relative humidity or absolute humidity ) and inlet temperature of the air in the stack or the fuel cell can be controlled as independently as possible. Furthermore, a dynamic operation should be possible, ie the parameter changes must be able to be carried out very quickly with high accuracy. According to a variant of the invention, the mass flow and the pressure of the O 2 -containing gas should also be regulated.
  • the inventive device additionally comprises a controllable heat exchanger, over which both the first and the second branch line are guided, wherein the thermostating of the air (Heating or cooling) is performed with the cooling medium of the low-temperature fuel cell.
  • the method according to the invention accordingly provides the following steps:
  • Humidifying one of the two partial streams Humidifying one of the two partial streams; - Tempering of both partial streams by cooling or heating in a controllable heat exchanger to the substantially same temperature; such as
  • the coolant circuit of the fuel cell has a valve-controlled bypass path which bypasses the heat exchanger and with which the proportion of the coolant passing through the heat exchanger can be regulated.
  • the heat flow or enthalpy flow which can be introduced into the heat exchanger can be regulated, via which the outlet temperature of the O 2 -containing gas flow (and thus its cathode-side inlet temperature into the fuel cell) can be regulated.
  • FIG. 1 shows a variant embodiment of a fuel cell with a combined humidifier / heat exchanger unit for the conditioning of the O 2 -containing operating gas of the fuel cell.
  • the device 1 shown in FIG. 1 has at least one low-temperature fuel cell 2, wherein as a rule many such fuel cells are combined to form a so-called fuel cell stack.
  • A is the anode side
  • K is the cathode side
  • C is a coolant compartment.
  • the system according to FIG. 1 can serve, for example, as a drive system for a vehicle not shown further.
  • the cathode-side supply line 3 is divided by a control valve 4 into a first 3a and a second branch line 3b, wherein both branch lines 3a and 3b by a compact Konditionier disturbed 7 - with respect to the division of the partial flows in the branch lines 3a and 3b controllable - moistening 5 and a controllable heat exchanger 6 are guided.
  • the heat exchanger 6 is integrated into a coolant circuit 9 of the fuel cell 2, wherein the coolant flow flows through the coolant compartment C of the fuel cell 2.
  • the coolant circuit 9 has a heat exchanger 6 immediate, controlled by means of the valve 12 by-pass 10, with which the heat exchanger 6 passing portion of the coolant is adjustable. After exiting the heat exchanger 6, the recombined coolant enters a Cooler 13, for example an air / water cooler, and is led back into the coolant compartment C of the fuel cell (see route * - *).
  • a Cooler 13 for example an air / water cooler
  • the moistening device 5 and the heat exchanger 6 form a compact conditioning unit 7, comprising a first flow chamber Cl which is connected to the first branch line 3a of the cathode-side supply line 3 on the input and output sides, a second flow chamber C2 connected to the second branch line 3b of the cathode side Feed line, a third flow chamber C3, connected to the cathode-side discharge line 8 and a fourth flow chamber C4, connected to the coolant circuit 9 of the fuel cell 2, all flow chambers Cl to C4 are in thermal contact with each other and the second flow chamber C2 of the third flow chamber C3 through a membrane 11 permitting humidification of the O 2 -containing gas is separated.
  • the membrane 11 is substantially gas-tight, but must be designed to be permeable to water.
  • the membrane may consist of a plastic (nonporous hydrophilic or finely porous and preferably hydrophilic), of ceramic or metal (each finely porous and preferably hydrophilic); Material blends or multilayer material composites are also possible.
  • the individual flow chambers C1 to C4 of the conditioning unit 7 may be arranged in a different (than the illustrated) sequence, only the chambers C2 and C3 should be directly adjacent.
  • the flow rate of the O 2 -containing gas through the fuel cell 2 can be regulated via the power of a compressor arranged upstream of the conditioning unit 7 (humidifier 5 and heat exchanger 6) in the cathode-side supply line 3, preferably via the rotational speed of a compressor 14 and varied within wide ranges become. Irrespective of this, the two partial flows of the O 2 -containing gas and the partial flow of the coolant guided via the heat exchanger 6 can be regulated very rapidly as a function of the operating parameters of the fuel cell or of the fuel cell stack with the aid of the valves 4, 12.
  • the pressure of the O 2 -containing gas in the fuel cell 2 via a in the cathode-side discharge line 8, preferably the output side of the humidifying 5 and the heat exchanger 6, arranged throttle device or an expander 15, for example in combination with a pressure-generating compressor, are regulated.
  • the energy obtained in the expander in the pressure release can be fed directly to the compressor 14, wherein both components can be combined to form a compressor / expander unit.
  • Air flow rate (operation in the compressor 14):
  • Control by varying the compressor power or compressor speed.
  • the partial flows 3 a and 3 b can be set arbitrarily by the control valve 4.
  • Inlet temperature of the air into the fuel cell (operation in the heat exchanger 6 of the conditioning device 7):
  • the partial flow through the chamber C4 of the heat exchanger 6 is selected so that due to the cooling - primarily due to the evaporation of the liquid humidifying water from C3 into C2 - exactly the temperature tw is reached, the rest of the coolant is through the bypass line 10 at led the conditioning 7 past.
  • the outlet temperature tw of the coolant from the heat exchanger 6 simultaneously defines the outlet temperature tw of the humidified air from C2 and that of the tempered, dry air from Cl (the coolant imprints its temperature profile on all media streams through the conditioning device 7).
  • the air can be cooled if necessary at high compressor outlet temperature tk, or if by evaporation sufficient cooling can not be achieved by water (for example, when the air is not to be humidified at all).
  • the two partial flows of the coolant can be arbitrarily set by the flow divider (control valve 12).
  • the cathode exhaust gas exiting C3 (essentially air and water vapor) is maintained at a high temperature level th.
  • the exhaust gas is still saturated with water vapor, since it was only moistened with liquid water.
  • the exhaust gas therefore transports the maximum possible heat flow or enthalpy flow. This reduces the necessary cooling capacity of the coolant cooler 13 for the fuel cell stack.
  • the moisture can be measured with a humidity sensor MI, for example, at the cathode-side inlet into the fuel cell 2, after the union of the two partial flows 3a and 3b, or calculated from the ratio of the two partial flows.
  • the more important for the control temperature tw can be measured with a temperature sensor TI at the outlet of the refrigerant partial flow from the flow chamber C4 of the heat exchanger 6 before the confluence of the bypass line 10 in the coolant circuit.

Abstract

The invention relates to a method and apparatus for conditioning an O2-containing gas, preferably air, for the operation of a low-temperature fuel cell (2), preferably a PEM-fuel cell, having a feed line (3) receiving the O2-containing gas on the cathode side, and a discharge line (8) discharging the exhaust cathode gas on the cathode side, wherein the feed line (3) on the cathode side is split by a regulator valve (4) into a first (3a) and a second line-branch (3b), and one of the line-branches (3b) is conducted through a humidifying device (5) pressurized with exhaust cathode gas. According to the invention, the first line-branch (3a) and the second line-branch (3b) of the feed line (3) on the cathode side are conducted across a controllable heat exchanger, and the heat exchanger is integrated into a coolant circuit of the low-temperature fuel cell.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Konditionierung eines O2-hältigen GasesMethod and apparatus for conditioning an O 2 -containing gas
Die Erfindung betrifft Verfahren und eine Vorrichtung zur Konditionierung eines O2-hältigen Gases, vorzugsweise Luft, für den Betrieb einer Niedertemperatur- Brennstoffzelle, vorzugsweise einer PEM-Brennstoffzelle, mit einer das O2-hältige Gas aufnehmenden, kathodenseitigen Zuführleitung und einer das Kathodenabgas abführenden kathodenseitigen Abführleitung, wobei die kathodenseitige Zuführleitung durch ein Regelventil in eine erste und eine zweite Zweigleitung aufgeteilt ist und eine der Zweigleitungen durch eine von Kathodenabgas beaufschlagte Befeuchtungseinrichtung geführt ist.The invention relates to methods and apparatus for conditioning an O 2 -containing gas, preferably air, for operating a low-temperature fuel cell, preferably a PEM fuel cell, having a cathode-side supply line receiving the O 2 -containing gas and discharging the cathode exhaust gas The cathode-side discharge line, wherein the cathode-side supply line is divided by a control valve into a first and a second branch line and one of the branch lines is guided by a humidifying device acted upon by cathode exhaust gas.
Niedertemperatur-Brennstoffzellen der eingangs beschriebenen Art können auch zu sogenannten Brennstoffzellenstacks zusammengefasst sein, wobei alle folgenden Aussagen sowohl für Vorrichtung mit Einzelzellen als auch solchen mit Brennstoffzellenstacks gültig sind.Low-temperature fuel cells of the type described above can also be combined to form so-called fuel cell stacks, with all the following statements being valid both for devices with single cells and those with fuel cell stacks.
Es ist bekannt, O2-hältige Gase, beispielsweise Luft, für den Betrieb der Brennstoffzelle zu konditionieren. In bekannten Vorrichtungen erfolgt diese Konditionierung durch eine Befeuchtung der Luft, meist nach deren Kompression, wobei für die Befeuchtung bevorzugt das im Kathodenabgas enthaltene Wasser verwendet werden kann. Das Kathodenabgas von Niedertemperatur-Brennstoffzellen besteht im wesentlichen aus N2, O2 und H2O, wobei das Wasser je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle dampfförmig und/oder flüssig im Kathodenabgas enthalten ist.It is known to condition O 2 -containing gases, for example air, for the operation of the fuel cell. In known devices, this conditioning is carried out by moistening the air, usually after their compression, wherein for wetting preferably the water contained in the cathode exhaust gas can be used. The cathode exhaust gas of low-temperature fuel cells consists essentially of N 2 , O 2 and H 2 O, wherein the water is contained depending on the operating state of the fuel cell vapor and / or liquid in the cathode exhaust gas.
Aus der DE 101 04 246 Cl ist ein Verfahren zum Befeuchten von Prozessgas für den Betrieb einer Brennstoffzelle unter alleiniger Verwendung von Produktwasser bekannt, bei welcher das O2-hältige Gas für die Kathode durch das wasser- dampfhaltige Kathodenabgas über eine erste Befeuchtungseinrichtung und das H2-hältige Brenngas für die Anode durch das wasserdampfhältige Anodenabgas über eine zweite Befeuchtungseinrichtung befeuchtet wird. Zu diesem Zweck wird die kathodenseitige Zuführleitung und die kathodenseitige Abführleitung über einen ersten Gegenstrom-Wärmetauscher geführt, welcher eine Befeuchtungseinrichtung in Form eines Kondensatabscheiders mit Venturi-Düse zur Ein- speisung des Kondensats aufweist. Eine zweite, gleichartige Wärmetauscher/ Befeuchtungseinrichtung steht für die anodenseitige Zuführleitung und die ano- denseitige Abführleitung zur Verfügung.From DE 101 04 246 Cl a method for humidifying process gas for the operation of a fuel cell using only product water is known, in which the O 2 -containing gas for the cathode through the water vapor-containing cathode exhaust via a first humidifier and the H 2 -containing fuel gas for the anode is humidified by the water vapor-containing anode exhaust gas via a second moistening device. For this purpose, the cathode-side supply line and the cathode-side discharge line is guided via a first countercurrent heat exchanger, which has a humidifying device in the form of a condensate trap with Venturi nozzle for feeding the condensate. A second, similar heat exchanger / moistening device is available for the anode-side supply line and the anode-side discharge line.
So ist beispielsweise aus der US 6,656,620 B2 ein Befeuchtungssystem für eine Brennstoffzelle bekannt, bei welcher das Kathodenabgas durch einen Befeuchter geführt wird, welcher im Inneren eine Vielzahl lammellenartiger wasserdurchläs- siger Membranen aufweist, wobei jeweils eine Membranseite dem Kathodenabgas zugekehrt ist und die andere Membranseite der zugeführten Luft. Die kathoden- seitige Zuführleitung für die Luft weist einen ersten Zweig auf, der den Befeuchter umgeht, sowie einen zweiten Zweig der durch den Befeuchter geführt ist. In der Umgehungsleitung befindet sich ein Regelventil, mit welchem die Teilströme in den beiden Zweigleitungen mengenmäßig geregelt werden können, sodass der Gehalt an Feuchtigkeit in den wieder zusammengeführten Zweigleitungen in weiten Bereichen in Abhängigkeit der Betriebparameter der Brennstoffzelle geregelt werden kann.For example, US Pat. No. 6,656,620 B2 discloses a humidification system for a fuel cell, in which the cathode exhaust gas is passed through a humidifier, which has a large number of lamellar water-permeable inside. Siger membranes, wherein in each case one side of the membrane facing the cathode exhaust gas and the other side of the membrane of the supplied air. The cathode-side supply line for the air has a first branch which bypasses the humidifier, and a second branch which is guided through the humidifier. In the bypass line is a control valve, with which the partial flows in the two branch lines can be regulated in terms of volume, so that the content of moisture in the recombined branch lines can be controlled in wide areas depending on the operating parameters of the fuel cell.
Nachteilig bei der bekannten Lösung ist die Tatsache, dass sich durch die benötigte Verdampfungswärme auch die Temperatur des durch den Befeuchter geführten Gasstroms ändert und die beiden Parameter Feuchtigkeit und Temperatur nicht unabhängig voneinander einstellbar sind.A disadvantage of the known solution is the fact that changes the required heat of vaporization, the temperature of the guided through the humidifier gas flow and the two parameters humidity and temperature are not independently adjustable.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Konditionierung eines O2-hältigen Gases, vorzugsweise Luft, für den Betrieb einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstacks vorzuschlagen, bei welchem zumindest die Parameter Feuchte der Luft (relative Feuchte bzw. absolute Feuchte) und Eintrittstemperatur der Luft in den Stack bzw. die Brennstoffzelle möglichst unabhängig voneinander geregelt werden können. Weiters soll ein dynamischer Betrieb möglich sein, d.h. die Parameteränderungen müssen sehr rasch bei hoher Genauigkeit durchgeführt werden können. Gemäß einer Variante der Erfindung soll auch der Mengenstrom sowie der Druck des O2-hältigen Gases geregelt werden.The object of the invention is to propose a method and a device for conditioning an O 2 -containing gas, preferably air, for the operation of a low-temperature fuel cell or a fuel cell stack, in which at least the parameters humidity of the air (relative humidity or absolute humidity ) and inlet temperature of the air in the stack or the fuel cell can be controlled as independently as possible. Furthermore, a dynamic operation should be possible, ie the parameter changes must be able to be carried out very quickly with high accuracy. According to a variant of the invention, the mass flow and the pressure of the O 2 -containing gas should also be regulated.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die erste und die zweite Zweigleitung der kathodenseitigen Zuführleitung über einen regelbaren Wärmetauscher geführt sind, wobei der Wärmetauscher in einen Kühlmittelkreislauf der Niedertemperatur-Brennstoffzelle eingebunden ist. Neben der an sich bekannten, regelbaren Befeuchtung des O2-hältigen Gases vor dem kathodenseitigen Eintritt in die Brennstoffzelle, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zusätzlich einen regelbaren Wärmetauscher aus, über welchen sowohl die erste als auch die zweite Zweigleitung geführt sind, wobei die Thermostatisierung der Luft (Heizen bzw. Kühlen) mit dem Kühlmedium der Niedertemperatur-Brennstoffzelle durchgeführt wird.This object is achieved in that the first and the second branch line of the cathode-side supply line are guided via an adjustable heat exchanger, wherein the heat exchanger is integrated into a coolant circuit of the low-temperature fuel cell. In addition to the known, controllable humidification of the O 2 -hältigen gas before the cathode-side entry into the fuel cell, the inventive device additionally comprises a controllable heat exchanger, over which both the first and the second branch line are guided, wherein the thermostating of the air (Heating or cooling) is performed with the cooling medium of the low-temperature fuel cell.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht demnach folgende Schritte vor:The method according to the invention accordingly provides the following steps:
- Auftrennen des O2-hältigen Gasstroms in einen ersten und in einen zweiten Teilstrom, wobei die Aufteilung der Teilströme regelbar ist;- Separating the O 2 -containing gas stream in a first and in a second partial stream, wherein the division of the partial streams is adjustable;
Befeuchten eines der beiden Teilströme; - Temperieren beider Teilströme durch Kühlen oder Erwärmen in einem regelbaren Wärmetauscher auf die im Wesentlichen selbe Temperatur; sowieHumidifying one of the two partial streams; - Tempering of both partial streams by cooling or heating in a controllable heat exchanger to the substantially same temperature; such as
- kathodenseitige Vereinigung und Zuführung beider Teilströme in die Brennstoffzelle.- Cathode-side union and supply of both partial streams in the fuel cell.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung weist der Kühlmittelkreislauf der Brennstoffzelle eine den Wärmetauscher umgehende, ventilgesteuerte Bypass-Strecke auf, mit welcher der den Wärmetauscher passierende Anteil des Kühlmittels regelbar ist. Folglich ist der in den Wärmetauscher eintragbare Wärmestrom bzw. Enthalpiestrom regelbar, über welchen die Austrittstemperatur des O2-hältigen Gasstroms (und damit dessen kathodenseitige Eintrittstemperatur in die Brennstoffzelle) geregelt werden kann.According to an advantageous embodiment variant of the invention, the coolant circuit of the fuel cell has a valve-controlled bypass path which bypasses the heat exchanger and with which the proportion of the coolant passing through the heat exchanger can be regulated. As a result, the heat flow or enthalpy flow which can be introduced into the heat exchanger can be regulated, via which the outlet temperature of the O 2 -containing gas flow (and thus its cathode-side inlet temperature into the fuel cell) can be regulated.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:The invention will be explained in more detail below with reference to a schematic drawing. It shows:
Fig. 1 eine Ausführungsvariante einer Brennstoffzelle, mit einer kombinierten Befeuchter/Wärmetauscher-Einheit für die Konditionierung des O2-hältigen Betriebsgases der Brennstoffzelle.1 shows a variant embodiment of a fuel cell with a combined humidifier / heat exchanger unit for the conditioning of the O 2 -containing operating gas of the fuel cell.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 weist zumindest eine Niedertemperatur- Brennstoffzelle 2 auf, wobei in der Regel viele derartige Brennstoffzellen zu einem sogenannten Brennstoffzellenstack zusammengefasst sind. An der Brennstoffzelle 2 (bzw. dem Brennstoffzellenstack) ist mit A die Anodenseite, mit K die Kathodenseite und mit C ein Kühlmittelkompartment gekennzeichnet. Das System gemäß Fig. 1 kann beispielsweise als Antriebssystem für ein nicht weiter dargestelltes Fahrzeug dienen.The device 1 shown in FIG. 1 has at least one low-temperature fuel cell 2, wherein as a rule many such fuel cells are combined to form a so-called fuel cell stack. At the fuel cell 2 (or the fuel cell stack), A is the anode side, K is the cathode side and C is a coolant compartment. The system according to FIG. 1 can serve, for example, as a drive system for a vehicle not shown further.
Die kathodenseitige Zuführleitung 3 ist durch ein Regelventil 4 in eine erste 3a und eine zweite Zweigleitung 3b aufgeteilt, wobei beide Zweigleitungen 3a und 3b durch eine kompakte Konditioniereinrichtung 7 mit einer - im Hinblick auf die Aufteilung der Teilströme in den Zweigleitungen 3a und 3b regelbaren - Befeuchtungseinrichtung 5 und einem regelbaren Wärmetauscher 6 geführt sind. Der Wärmetauscher 6 ist in einen Kühlmittelkreislauf 9 der Brennstoffzelle 2 eingebunden, wobei der Kühlmittelstrom das Kühlmittelkompartment C der Brennstoffzelle 2 durchströmt.The cathode-side supply line 3 is divided by a control valve 4 into a first 3a and a second branch line 3b, wherein both branch lines 3a and 3b by a compact Konditioniereinrichtung 7 - with respect to the division of the partial flows in the branch lines 3a and 3b controllable - moistening 5 and a controllable heat exchanger 6 are guided. The heat exchanger 6 is integrated into a coolant circuit 9 of the fuel cell 2, wherein the coolant flow flows through the coolant compartment C of the fuel cell 2.
Der Kühlmittelkreislauf 9 weist eine den Wärmetauscher 6 umgehende, mit Hilfe des Ventils 12 geregelte Bypass-Strecke 10 auf, mit welcher der den Wärmetauscher 6 passierende Anteil des Kühlmittels einstellbar ist. Nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher 6 gelangt das wieder zusammengeführte Kühlmittel in einen Kühler 13, beispielsweise einen Luft/Wasser-Kühler, und wird zurück in das Kühl- mittelkompartment C der Brennstoffzelle geführt (siehe Strecke *-*).The coolant circuit 9 has a heat exchanger 6 immediate, controlled by means of the valve 12 by-pass 10, with which the heat exchanger 6 passing portion of the coolant is adjustable. After exiting the heat exchanger 6, the recombined coolant enters a Cooler 13, for example an air / water cooler, and is led back into the coolant compartment C of the fuel cell (see route * - *).
Die Befeuchtungseinrichtung 5 und der Wärmetauscher 6 bilden eine kompakte Konditioniereinheit 7, bestehend aus einer ersten Durchflusskammer Cl, welche ein- und ausgangsseitig mit der ersten Zweigleitung 3a der kathodenseitigen Zuführleitung 3 verbunden ist, einer zweiten Durchflusskammer C2, verbunden mit der zweiten Zweigleitung 3b der kathodenseitigen Zuführleitung, einer dritten Durchflusskammer C3, verbunden mit der kathodenseitigen Abführleitung 8 sowie einer vierten Durchflusskammer C4, verbunden mit dem Kühlmittelkreislauf 9 der Brennstoffzelle 2, wobei alle Durchflusskammern Cl bis C4 miteinander in thermischem Kontakt stehen und die zweite Durchflusskammer C2 von der dritten Durchflusskammer C3 durch eine die Befeuchtung des O2-hältige Gases ermöglichende Membran 11 getrennt ist. Die Membran 11 ist im Wesentlichen gasdicht, muss jedoch für Wasser durchlässig ausgebildet sein. Dies kann bedeuten, dass flüssiges Wasser durchtritt und verdampft (Pervaporation), mit den Schritten Diffusion und/oder Strömung danach Verdampfung; oder auch, dass gasförmiges Wasser an der Membran kondensiert und dann hindurchtritt (Permeation), mit den Schritten Kondensation danach Diffusion und/oder Strömung danach Verdampfung, beide Effekte können auch überlagert auftreten.The moistening device 5 and the heat exchanger 6 form a compact conditioning unit 7, comprising a first flow chamber Cl which is connected to the first branch line 3a of the cathode-side supply line 3 on the input and output sides, a second flow chamber C2 connected to the second branch line 3b of the cathode side Feed line, a third flow chamber C3, connected to the cathode-side discharge line 8 and a fourth flow chamber C4, connected to the coolant circuit 9 of the fuel cell 2, all flow chambers Cl to C4 are in thermal contact with each other and the second flow chamber C2 of the third flow chamber C3 through a membrane 11 permitting humidification of the O 2 -containing gas is separated. The membrane 11 is substantially gas-tight, but must be designed to be permeable to water. This can mean that liquid water passes through and evaporates (pervaporation), with the steps of diffusion and / or flow thereafter evaporation; or also that gaseous water condenses on the membrane and then passes (permeation), with the steps condensation then diffusion and / or flow thereafter evaporation, both effects can also occur superimposed.
Die Membran kann aus einem Kunststoff (porenfrei hydrophil oder feinporös und vorzugsweise hydrophil), aus Keramik oder Metall (jeweils feinporös und vorzugsweise hydrophil) bestehen; Materialmischungen oder mehrschichtige Material-Verbünde sind ebenfalls möglich.The membrane may consist of a plastic (nonporous hydrophilic or finely porous and preferably hydrophilic), of ceramic or metal (each finely porous and preferably hydrophilic); Material blends or multilayer material composites are also possible.
Die einzelnen Durchflusskammern Cl bis C4 der Konditioniereinheit 7 können in einer anderen (als der dargestellten) Reihenfolge angeordnet sein, lediglich die Kammern C2 und C3 sollten direkt benachbart sein. Es ist beispielsweise auch möglich die einzelnen Durchflusskammern Cl bis C4 als konzentrisch geführte Rohre anzuordnen.The individual flow chambers C1 to C4 of the conditioning unit 7 may be arranged in a different (than the illustrated) sequence, only the chambers C2 and C3 should be directly adjacent. For example, it is also possible to arrange the individual flow chambers C1 to C4 as concentrically guided tubes.
Es ist auch möglich für die Befeuchtungseinrichtung 5 und den Wärmetauscher 6 separate Bauteile vorzusehen.It is also possible for the humidifying device 5 and the heat exchanger 6 to provide separate components.
Der Mengenstrom des O2-hältigen Gases durch die Brennstoffzelle 2 kann über die Leistung eines stromaufwärts der Konditioniereinheit 7 (Befeuchtungseinrichtung 5 und Wärmetauschers 6) in der kathodenseitigen Zuführleitung 3 angeordneten Verdichters, vorzugsweise über die Drehzahl eines Kompressors 14, geregelt und in weiten Bereichen variiert werden. Unabhängig davon können die beiden Teilströme des O2-hältigen Gases und der Teilstrom des über den Wärmetauscher 6 geführten Kühlmittels mit Hilfe der Ventile 4, 12 sehr schnell in Abhängigkeit der Betriebsparameter der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstacks geregelt werden.The flow rate of the O 2 -containing gas through the fuel cell 2 can be regulated via the power of a compressor arranged upstream of the conditioning unit 7 (humidifier 5 and heat exchanger 6) in the cathode-side supply line 3, preferably via the rotational speed of a compressor 14 and varied within wide ranges become. Irrespective of this, the two partial flows of the O 2 -containing gas and the partial flow of the coolant guided via the heat exchanger 6 can be regulated very rapidly as a function of the operating parameters of the fuel cell or of the fuel cell stack with the aid of the valves 4, 12.
Weiters kann der Druck des O2-hältigen Gases in der Brennstoffzelle 2 über eine in der kathodenseitigen Abführleitung 8, vorzugsweise ausgangsseitig der Befeuchtungseinrichtung 5 und des Wärmetauschers 6, angeordnete Drosseleinrichtung oder einen Expander 15, z.B. in Kombination mit einem druckerzeugenden Verdichter, geregelt werden. Die im Expander bei der Druckentspannung gewonnene Energie kann dem Kompressor 14 direkt zugeführt werden, wobei beide Komponenten zu einer Kompressor/Expander-Einheit zusammengefasst sein können.Furthermore, the pressure of the O 2 -containing gas in the fuel cell 2 via a in the cathode-side discharge line 8, preferably the output side of the humidifying 5 and the heat exchanger 6, arranged throttle device or an expander 15, for example in combination with a pressure-generating compressor, are regulated. The energy obtained in the expander in the pressure release can be fed directly to the compressor 14, wherein both components can be combined to form a compressor / expander unit.
Zusammenfassend ergeben sich für die Regelung des Luftmengenstroms, der Feuchte der Luft und der Eintrittstemperatur der Luft in die Brennstoffzelle bzw. den Brennstoffzellenstack folgende Vorteile:In summary, the following advantages result for the regulation of the air flow rate, the humidity of the air and the inlet temperature of the air into the fuel cell or the fuel cell stack:
A) Luftmengenstrom (Vorgang im Kompressor 14) :A) Air flow rate (operation in the compressor 14):
Regelung durch Variation der Kompressorleistung bzw. Kompressordrehzahl.Control by varying the compressor power or compressor speed.
B) Feuchte der Luft (Vorgang in der Befeuchtunqseinrichtung 5 der Konditionier- einrichtung 7):B) humidity of the air (process in the humidifier 5 of the conditioning device 7):
Aufsplitten des Luftstromes nach der Kompression (Temperatur tk z.B. 1300C) in zwei Teilströme 3a, 3b, der Teilstrom 3a mit der Eintrittstemperatur tk wird durch die Temperierungskammer Cl geleitet, die Luft wird hier auf tw (z.B. 700C) temperiert (aber nicht befeuchtet), die Luft nimmt Wärme aus C4 auf oder gibt Wärme nach C4 ab der Teilstrom 3b mit der Eintrittstemperatur tk wird durch die Befeuchterkammer C2 geleitet, die Luft wird hier auf tw temperiert, die Luft wird hier bei tw mit Wasser gesättigt (relative Feuchte bei tw => 100 %), die Luft nimmt Wasser aus C3 und Wärme aus C4 auf. Die Teilströme 3a und 3b können durch das Regelventil 4 beliebig eingestellt werden.Splitting the air flow after compression (temperature tk, for example, 130 0 C) into two partial streams 3a, 3b, the partial flow 3a with the inlet temperature tk is passed through the temperature control chamber Cl, the air is here on tw (eg 70 0 C) tempered (but not humidified), the air absorbs heat from C4 or gives off heat to C4 the partial flow 3b with the inlet temperature tk is passed through the humidifier chamber C2, the air is tempered here to tw, the air is saturated here at tw with water (relative Humidity at tw => 100%), the air absorbs water from C3 and heat from C4. The partial flows 3 a and 3 b can be set arbitrarily by the control valve 4.
Dadurch ist die Einstellung einer beliebigen relativen Feuchte zwischen O und 100 % bei der Temperatur tw möglich.This makes it possible to set any relative humidity between 0 and 100% at the temperature tw.
Dadurch ist auch die Einstellung einer beliebigen Gastemperatur zwischen tk (entspricht der Temperatur nach der Kompression) und der Temperatur tw möglich.This also makes it possible to set any gas temperature between tk (corresponds to the temperature after compression) and the temperature tw.
Die Befeuchtung erfolgt im Wesentlichen mittels Flüssigwasser aus dem Kathodenabgas in der Durchflusskammer C3, durch die Membran 11 wird im Wesentlichen flüssiges Wasser übertragen (Kondensation in C3 => Transport => Verdampfung in C2), es wird zusätzliche Verdampfungswärme benötigt, diese muss dem Kühlmittel entnommen werden (aus C4).The moistening takes place essentially by means of liquid water from the cathode exhaust gas in the flow chamber C3, substantially liquid water is transferred through the membrane 11 (condensation in C3 => transport => vaporization in C2), additional heat of vaporization is required, this must be taken from the coolant become (from C4).
Eintrittstemperatur der Luft in die Brennstoffzelle (Vorgang im Wärmetauscher 6 der Konditioniereinrichtung 7) :Inlet temperature of the air into the fuel cell (operation in the heat exchanger 6 of the conditioning device 7):
Aufsplitten des heißen Kühlmittels, welches mit der Temperatur th (z.B. 800C) aus der Brennstoffzelle 2 austritt in zwei Teilströme.Splitting the hot coolant, which with the temperature th (eg 80 0 C) from the fuel cell 2 exits into two partial streams.
Der Teilstrom durch die Kammer C4 des Wärmetauschers 6 wird so gewählt, dass durch die Abkühlung - primär wegen der Verdampfung des flüssigen Befeuchtungswassers aus C3 in C2 hinein - genau die Temperatur tw erreicht wird, der Rest des Kühlmittels wird durch die Bypass-Strecke 10 an der Konditioniereinrichtung 7 vorbei geführt.The partial flow through the chamber C4 of the heat exchanger 6 is selected so that due to the cooling - primarily due to the evaporation of the liquid humidifying water from C3 into C2 - exactly the temperature tw is reached, the rest of the coolant is through the bypass line 10 at led the conditioning 7 past.
Die Austrittstemperatur tw des Kühlmittels aus dem Wärmetauscher 6 definiert gleichzeitig die Austrittstemperatur tw der befeuchteten Luft aus C2 und jene der temperierten, trockenen Luft aus Cl (das Kühlmittel prägt sein Temperaturprofil allen Medienströmen durch die Konditioniereinrichtung 7 auf).The outlet temperature tw of the coolant from the heat exchanger 6 simultaneously defines the outlet temperature tw of the humidified air from C2 and that of the tempered, dry air from Cl (the coolant imprints its temperature profile on all media streams through the conditioning device 7).
Durch die Gegenstromführung (bezogen auf die Durchflusskammer C4) des Kathodenabgases in der Durchflusskammer C3 wird gewährleistet, dass dessen Temperatur beim Austritt aus C3 bei th liegt, also der maximale Kühleffekt für die Brennstoffzelle bzw. den Stack erreicht werden kann (wegen des dann maximal möglichen Wasserdampfgehalts der Luft), zudem kann die Luft falls notwendig bei hoher Kompressor-Austrittstemperatur tk gekühlt werden, bzw. dann wenn durch Verdampfung von Wasser keine ausreichende Kühlung erreicht werden kann (beispielsweise wenn die Luft überhaupt nicht befeuchtet werden soll).By the countercurrent flow (relative to the flow chamber C4) of the cathode exhaust gas in the flow chamber C3 ensures that its temperature at the exit of C3 is th, so the maximum cooling effect for the fuel cell or the stack can be achieved (because of the maximum then possible Water vapor content of the air), in addition, the air can be cooled if necessary at high compressor outlet temperature tk, or if by evaporation sufficient cooling can not be achieved by water (for example, when the air is not to be humidified at all).
Die beiden Teilströme des Kühlmittels können durch den Strömungsteiler (Regelventil 12) beliebig eingestellt werden.The two partial flows of the coolant can be arbitrarily set by the flow divider (control valve 12).
Das aus C3 austretende Kathodenabgas (im Wesentlichen Luft und Wasserdampf) wird auf hohem Temperaturniveau th gehalten. Das Abgas ist dabei noch mit Wasserdampf gesättigt, da nur mittels Flüssigwasser befeuchtet wurde. Das Abgas transportiert daher den maximal möglichen Wärmestrom bzw. Enthalpiestrom. Dadurch verringert sich die notwendige Kühlleistung des Kühlmittelkühlers 13 für den Brennstoffzellenstack.The cathode exhaust gas exiting C3 (essentially air and water vapor) is maintained at a high temperature level th. The exhaust gas is still saturated with water vapor, since it was only moistened with liquid water. The exhaust gas therefore transports the maximum possible heat flow or enthalpy flow. This reduces the necessary cooling capacity of the coolant cooler 13 for the fuel cell stack.
Für den Betrieb der Vorrichtung sind zwei Sensoren, ein Temperatur- und eine Feuchtesensor, von Vorteil, wobei bei einer Kennfeldsteuerung auf den Einsatz eines oder beider Sensoren verzichtet werden kann. Die Feuchte kann mit einem Feuchtesensor MI beispielsweise am kathodenseitigen Eintritt in die Brennstoffzelle 2, nach der Vereinigung der beiden Teilströme 3a und 3b gemessen oder aus dem Verhältnis der beiden Teilströme berechnet werden. Die für die Regelung wichtigere Temperatur tw kann mit einem Temperatursensor TI am Austritt des Kühlmittel-Teilstroms aus der Durchflusskammer C4 des Wärmetauschers 6 vor der Einmündung der Bypass-Strecke 10 in den Kühlmittelkreislauf gemessen werden. For the operation of the device are two sensors, a temperature and a humidity sensor, an advantage, which can be dispensed with a map control on the use of one or both sensors. The moisture can be measured with a humidity sensor MI, for example, at the cathode-side inlet into the fuel cell 2, after the union of the two partial flows 3a and 3b, or calculated from the ratio of the two partial flows. The more important for the control temperature tw can be measured with a temperature sensor TI at the outlet of the refrigerant partial flow from the flow chamber C4 of the heat exchanger 6 before the confluence of the bypass line 10 in the coolant circuit.

Claims

P A T E N T A N S P R U C H E PATENT CLAIMS
1. Vorrichtung zur Konditionierung eines O2-hältigen Gases, vorzugsweise Luft, für den Betrieb einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle (2), vorzugsweise einer PEM-Brennstoffzelle, mit einer das O2-hältige Gas aufnehmenden, ka- thodenseitigen Zuführleitung (3) und einer das Kathodenabgas abführenden kathodenseitigen Abführleitung (8), wobei die kathodenseitige Zuführleitung (3) durch ein Regelventil (4) in eine erste (3a) und eine zweite Zweigleitung (3b) aufgeteilt ist und eine der Zweigleitungen (3b) durch eine von Kathodenabgas beaufschlagte Befeuchtungseinrichtung (5) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (3a) und die zweite Zweigleitung (3b) der kathodenseitigen Zuführleitung (3) über einen regelbaren Wärmetauscher (6) geführt sind, wobei der Wärmetauscher (6) in einen Kühlmittelkreislauf (9) der Niedertemperatur-Brennstoffzelle (2) eingebunden ist.1. A device for conditioning an O 2 -containing gas, preferably air, for the operation of a low-temperature fuel cell (2), preferably a PEM fuel cell, with the O 2 -containing gas receiving, cathode-side supply line (3) and a cathode-side discharge line (8) discharging the cathode exhaust gas, wherein the cathode-side supply line (3) is divided by a control valve (4) into a first (3a) and a second branch line (3b) and one of the branch lines (3b) is acted upon by a cathode exhaust gas Humidifying device (5) is guided, characterized in that the first (3a) and the second branch line (3b) of the cathode-side supply line (3) via an adjustable heat exchanger (6) are guided, wherein the heat exchanger (6) in a coolant circuit (9 ) of the low-temperature fuel cell (2) is integrated.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (9) eine den Wärmetauscher (6) umgehende, ventilgesteuerte Bypass-Strecke (10) aufweist, mit welcher der den Wärmetauscher (6) passierende Anteil des Kühlmittels regelbar ist.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the coolant circuit (9) has a heat exchanger (6) immediate, valve-controlled bypass line (10), with which the heat exchanger (6) passing portion of the coolant is controllable.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtungseinrichtung (5) und der Wärmetauscher (6) eine kompakte Konditioniereinheit (7) bilden, bestehend aus einer ersten Durchflusskammer (Cl), verbunden mit der ersten Zweigleitung (3a) der kathodenseitigen Zuführleitung (3), einer zweiten Durchflusskammer (C2), verbunden mit der zweiten Zweigleitung (3b) der kathodenseitigen Zuführleitung (3), einer dritten Durchflusskammer (C3), verbunden mit der kathodenseitigen Abführleitung (8) sowie einer vierten Durchflusskammer (C4), verbunden mit dem Kühlmittelkreislauf (9) der Brennstoffzelle (2), wobei alle Durchflusskammern (Cl bis C4) miteinander in thermischem Kontakt stehen und die zweite Durchflusskammer (C2) von der dritten Durchflusskammer (C3) durch eine die Befeuchtung des O2-hältige Gases ermöglichende Membran (11) getrennt ist.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the moistening device (5) and the heat exchanger (6) form a compact conditioning unit (7), consisting of a first flow chamber (Cl), connected to the first branch line (3a) of cathode-side supply line (3), a second flow chamber (C2), connected to the second branch line (3b) of the cathode-side supply line (3), a third flow chamber (C3), connected to the cathode-side discharge line (8) and a fourth flow chamber (C4) connected to the coolant circuit (9) of the fuel cell (2), wherein all the flow chambers (Cl to C4) are in thermal contact with each other and the second flow chamber (C2) from the third flow chamber (C3) by a humidification of the O 2 -containing Gas permitting membrane (11) is separated.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweite Durchflusskammer (C2) und der dritten Durchflusskammer (C3) eine im Wesentlichen gasdichte, für Wasser durchlässige Membran (11) angeordnet ist.4. Apparatus according to claim 3, characterized in that between the second flow chamber (C2) and the third flow chamber (C3) a substantially gas-tight, permeable to water membrane (11) is arranged.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung des Mengenstroms des O2-hältigen Gases durch die Brennstoffzelle (2) in der kathodenseitigen Zuführleitung (3) stromaufwärts der Befeuchtungseinrichtung (5) und des Wärmetauschers (6) ein in seiner Leistung regelbarer Verdichter, vorzugsweise ein über die Drehzahl regelbarer Kompressors (14), angeordnet ist.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that for controlling the flow rate of the O 2 -hältigen gas through the Fuel cell (2) in the cathode-side feed line (3) upstream of the humidifying device (5) and the heat exchanger (6) is a variable in its performance compressor, preferably a variable speed over the compressor (14) is arranged.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung des Druckes des O2-hältigen Gases in der Brennstoffzelle (2) eine in der kathodenseitigen Abführleitung (8), vorzugsweise ausgangs- seitig der Befeuchtungseinrichtung (5) und des Wärmetauschers (6), angeordnete Drosseleinrichtung oder ein Expander (15) angeordnet ist.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that for controlling the pressure of the O 2 -hältigen gas in the fuel cell (2) in the cathode-side discharge line (8), preferably on the output side of the moistening device (5) and the heat exchanger (6), arranged throttle device or an expander (15) is arranged.
7. Konditionierverfahren für ein O2-hältiges Gas, vorzugsweise Luft, welche einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle, vorzugsweise einer PEM-Brenn- stoffzelle, kathodenseitig zugeführt wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:7. conditioning method for an O 2 -containing gas, preferably air, which is a cathode cell side, which is supplied to a low-temperature fuel cell, preferably a PEM fuel cell, characterized by the following steps:
Auftrennen des O2-hältigen Gasstroms in einen ersten und in einen zweiten Teilstrom, wobei der Mengenstrom der Teilströme regelbar ist;Separating the O 2 -containing gas stream into a first and a second partial stream, wherein the flow rate of the partial streams is controllable;
Befeuchten eines der beiden O2-hältigen Teilströme;Humidifying one of the two O 2 -containing substreams;
Temperieren beider O2-hältigen Teilströme durch Kühlen oder Erwärmen in einem regelbaren Wärmetauscher; sowie kathodenseitige Vereinigung und Zuführung beider Teilströme in die Brennstoffzelle.Temperieren both O 2 -haltigen substreams by cooling or heating in a controllable heat exchanger; and cathode-side union and supply of both partial streams in the fuel cell.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Thermo- statisierung der beiden Teilströme ein regelbarer Teilstrom des Kühlmittels der Brennstoffzelle durch den Wärmetauscher geführt wird.8. The method according to claim 7, characterized in that for thermostating the two partial flows, a controllable partial flow of the coolant of the fuel cell is passed through the heat exchanger.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilströme des O2-hältigen Gases und der Teilstrom des über den Wärmetauscher geführten Kühlmittels unabhängig voneinander, in Abhängigkeit der Betriebsparameter der Brennstoffzelle geregelt werden. 9. The method according to claim 8, characterized in that the two partial flows of the O 2 -containing gas and the partial flow of the guided over the heat exchanger coolant are controlled independently of one another, depending on the operating parameters of the fuel cell.
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