AT523596A1

AT523596A1 - Vorkonditionierungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: AT523596A1
Application number: ATA50303/2020A
Authority: AT
Inventors: Mair Dipl Ing Frank
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2020-04-08
Filing date: 2020-04-08
Publication date: 2021-09-15

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorkonditionierungsvorrichtung (10) für ein Vorkonditionieren von einem Kathodenzuführgas in einem Brennstoffzellensystem (100), aufweisend einen Wasserzuführabschnitt (20) für eine Zufuhr von Produktwasser, einen Gaszuführabschnitt (30) für eine Zufuhr des Kathodenzuführgases und eine Vorkonditionierungskammer (40) für eine Verdunstung von Produktwasser in dem Kathodenzuführgas, wobei ein Einspeiseabschnitt (22) vorgesehen ist, der für eine direkte Einspeisung des Produktwassers aus dem Zuführabschnitt (20) in das Kathodenzuführgas in der Vorkonditionierungskammer (40) angeordnet ist, wobei ein Gasabführabschnitt (60) für ein Abführen von vorkonditioniertem Kathodenzuführgas aus der Vorkonditionierungskammer (40) vorgesehen ist. Weiter betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (100) mit einer entsprechen- den Vorkonditionierungsvorrichtung (10) sowie ein Verfahren zur Vorkonditionierung eines Kathodenzuführgases mittels einer entsprechenden Vorkonditionierungsvorrichtung (10) in einem Brennstoffzellensystem (100).

Description

Vorkonditionierungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorkonditionierungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem mit einer entsprechenden Vorkonditionierungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Vorkonditionierung eines Kathodenzuführgases mittels einer entsprechenden Vorkonditionierungsvorrichtung in einem

Brennstoffzellensystem.

In der Regel wird bei einem Brennstoffzellensystem das Zuführgas verdichtet, d.h. Luft wird durch einen Kompressor aus der Atmosphäre angesaugt und unter einem Förderdruck verdichtet in das Brennstoffzellensystem eingeleitet. Im Zuge der Verdichtung erhöht sich eine Temperatur der eingeleiteten Luft in Bezug zu einer Temperatur der Luft vor dem Ansaugen aus der Atmosphäre. Eine Wärmeausdehnung der Luft bzw. des Zuführgases wirkt der Erzielung einer höheren volumenbezogenen Gasdichte entgegen, d.h. eine Effizienz der gewünschten Verdichtung des Zuführgases durch den Einsatz des Kompressors wird durch den resultierenden Temperatur-

anstieg beeinträchtig.

Aus Brennstoffzellensystemen ist es daher bekannt, das Zuführgas im Nachgang zu der Verdichtung durch einen Wärmetauscher bzw. Intercooler wieder herunter zu kühlen, um das Zuführgas auf eine für den Prozess in der Brennstoffzelle optimierte Temperatur bzw. volumenbezogene Gasdichte zu bringen. Ebenfalls ist es bekannt, das Zuführgas vor einem Zuführen an der Kathode einer Brennstoffzelle durch einen Befeuchter bzw. Verdampfer zu befeuchten, um das Zuführgas auf einen für den Prozess in der Brennstoffzelle optimierten Feuchtigkeitsgehalt zu bringen. Üblicherweise erfolgt die Befeuchtung mittels einer Membran, über welche die Feuchtigkeit in den Gasstrom eingebracht wird. Dazu kann Feuchtigkeit aus dem Kathodenabführgas genutzt werden. Auch eine aktive Zufuhr von gesammeltem Produktwasser oder

extern bereitgestelltem Wasser ist möglich.

Bei den genannten Konzepten mit einer Membran besteht ein Nachteil, dass die Membran für einen effektiven Austausch einen großen Anteil eines Strömungsquerschnitts in einem Gasstrom einnimmt bzw. blockiert, wodurch eine volumetrische Fördereffizienz des entsprechenden Gasstroms beeinträchtigt wird und somit ein Druckverlust entsteht. Die hohe notwendige Membranfläche führt auch zu einem

stoffzellensystems bel.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nach-

teile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Konzept für eine leistungsfähigere bzw. kostengünstigere Konditionierung eines Zuführgases in einem Brennstoffzellensystem zur Verführung

zu stellen.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Vorkonditionierungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 18. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorkonditionierungsvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets

wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Erfindungsgemäß ist eine Vorkonditionierungsvorrichtung für ein Vorkonditionieren von einem Kathodenzuführgas in einem Brennstoffzellensystem vorgesehen. Hierfür weist die Vorkonditionierungsvorrichtung einen Wasserzuführabschnitt für eine Zufuhr von Produktwasser und einen Gaszuführabschnitt für eine Zufuhr des Kathodenzuführgases auf. Die Vorkonditionierungsvorrichtung umfasst eine Vorkonditionierungskammer für eine Verdunstung von Produktwasser in dem Kathodenzuführgas. Weiter ist in der Vorkonditionierungskammer ein Einspeiseabschnitt vorgesehen, für eine direkte Einspeisung des Produktwassers aus dem Zuführabschnitt in das Kathodenzuführgas. Weiter weist eine solche Vorkonditionierungsvorrichtung einen Gasabführabschnitt für ein Abführen von vorkonditioniertem Kathodenzuführgas

aus der Vorkonditionierungskammer auf.

Erfindungsgemäß baut eine Vorkonditionierungsvorrichtung auf den bekannten Lösungen zur Konditionierung eines Zuführgases, wie insbesondere Luft auf, die in der Regel hinter einem Kompressor einen Wärmetauscher bzw. Intercooler und einen

Befeuchter umfassen. Erfindungsgemäß wird eine solche herkömmliche Konditionie-

rung eines Zuführgases mit einem Wärmetauscher und einem Befeuchter in einer

Zuführstrecke nun jedoch durch eine Vorkonditionierungsvorrichtung erweitert, oder

im Idealfall durch die Vorkonditionierungsvorrichtung ersetzt.

Wahlweise erfolgt die erfindungsgemäße Vorkonditionierung vorgelagert zu einer herkömmlichen Konditionierung durch einen Wärmetauscher bzw. Intercooler und einen Befeuchter, d.h. sie erfolgt an einer durch einen Kompressor eingeleiteten und

verdichteten Luft.

In einer solchen Vorkonditionierungsvorrichtung erfolgt erfindungsgemäß eine Vorkonditionierung eines Kathodenzuführgases bzw. von Luft, durch ein direktes Einspeisen und Verdunsten, vorzugsweise mittels Zerstäubens von Wasser in dem Gasstrom des gegebenenfalls. verdichteten und erwärmten Kathodenzuführgases vorzugsweise unter Verwendung eines aufgefangenen und zugeführten Produktwassers aus einem Brennstoffzellenstapel. Alternativ oder zusätzlich kann auch extern

zugeführtes Wasser hierfür verwendet werden.

Die Vorkonditionierung nutzt erfindungsgemäß zwei vorteilhafte Wirkungen, die sich mithin zeitgleich innerhalb desselben Bauraums nutzen lassen. Zum einen wird eine Abkühlung eines ggf. verdichteten und erwärmten Gasstroms durch entzogene Verdunstungswärme erzielt. Dabei entspricht eine dem betreffenden Gasstrom entzogene Wärmemenge energetisch der Verdampfungsenthalpie einer verdunsteten Wassermenge des zugeführten Produktwassers. Demzufolge wird eine erforderliche Kühlleistung des nachgelagerten Wärmetauschers reduziert. Ein solcher Wärmetauscher kann damit entweder kleiner ausgebildet werden oder sogar komplett entfallen.

Zum anderen trägt die zugeführte Wassermenge zur Befeuchtung des Zuführgases bei, welche zur Erlangung eines für den Prozess in der Brennstoffzelle optimiert eingestellten Feuchtigkeitsgehalts notwendig ist. Dabei entspricht der resultierende Feuchtigkeitseintrag direkt der verdunsteten Wassermenge des zugeführten Produktwassers. Demzufolge wird eine erforderliche Befeuchtungsleistung des nachgelagerten Befeuchters reduziert. Auch dieser Befeuchter kann damit entweder kleiner

ausgebildet werden oder sogar komplett entfallen.

Die erfindungsgemäße Vorkonditionierungsvorrichtung kommt ohne eine Struktur mit einer hohen spezifischen Oberfläche, wie insbesondere ohne eine Faserstruktur mit

Hohlfasern oder dergleichen, und ohne wesentliche Sperrflächen innerhalb eines

Strömungsquerschnitt des betreffenden Gasstroms aus. Demzufolge erzeugt die

Vorkonditionierung im Vergleich zum genannten Stand der Technik einen geringen

Strömungswiderstand in der Zuführstrecke.

Im Falle einer Erweiterung einer herkömmlichen Konditionierung eines Zuführgases durch die Vorkonditionierungsvorrichtung kann eine Dimensionierung in Bezug auf

eine Kapazität des Wärmetauschers und des Befeuchters verringert werden, mithin kann eine Gewichtsreduzierung und Kostenreduzierung in Bezug auf die betreffenden Systemkomponenten erzielt werden.

Anderenfalls ermöglicht die Erweiterung einer herkömmlichen Konditionierung eines Zuführgases durch die Vorkonditionierungsvorrichtung eine Erhöhung von Kapazitäten zur Konditionierung eines Zuführgases, wodurch zusätzliche Leistungsreserven zur Sicherstellung optimaler Prozessparameter während eines Volllastbetriebs des

Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden.

Eine erfindungsgemäße Vorkonditionierungsvorrichtung kann zum Beispiel vollständig in einen Kathodenzuführabschnitt eines Brennstoffzellensystems integriert sein

oder diesen zumindest abschnittsweise ausbilden. Der Gaszuführabschnitt und der Gasabführabschnitt bilden die fluudkommunizierenden Schnittstellen zu dem Katho-

denzuführabschnitt aus.

Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn der Einspeiseabschnitt wenigstens eine Verdunstungs-Einspeisedüse für eine Zerstäubung des Produktwassers in der Vorkonditionierungskammer umfasst. Dabei kann beispielsweise ein Förderdruck an dem Wasserzuführabschnitt angelegt werden, um eine effektive Zerstäubung des Produktwassers zu erzielen. Die Zerstäubung stellt eine erste Variante der erfindungsgemäßen direkten Einspeisung des Produktwassers in den betreffenden Gasstrom dar. Dabei wird ein Sprühnebel in dem Gasstrom aufgenommen, welcher bei der er-

höhten Temperatur nach einer Verdichtung des Gasstroms besonders gut verdampft.

In Falle einer Anordnung von mehreren Verdunstungs-Einspeisedüsen kann eine gegenseitige Ausrichtung innerhalb der Anordnung vorzugsweise facettenartig bzw. im Sinne einer aufgefächerten Anordnung von Blüten eines Blumenstraußes eingestellt sein, sodass sich eine unidirektionale Verteilung des Sprühnebels während der Zerstäubung des Produktwassers in den betreffenden Gasstrom ergibt.

nierungswirkung.

Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn zumindest in dem Fall einer einzigen VerdunstungsEinspeisedüse der Auslassquerschnitt des Auslasskegels größer oder gleich einem Strömungsquerschnitt der Vorkonditionierungskammer ist. Dabei kann die Verdunstungs-Einspeisedüse in einem Mittelpunkt des Strömungsquerschnitts der Vorkonditionierungskammer bzw. einer Strömungsachse des betreffenden Gasstroms angeordnet sein. Ein Öffnungswinkel des Auslasskegels ist dann vorzugsweise ausreichend groß gewählt, sodass der Auslassquerschnitt eines stromabwärts gerichteten Auslasskegels bis zu Kammerwänden der Vorkonditionierungskammer reicht, die den betreffenden Gasstrom umgrenzen, und zwar innerhalb einer Strömungsstrecke des Gasstroms, die stromabwärts von der Verdunstungs-Einspeisedüse in der Vorkonditionierungskammer zur Verfügung steht. Dabei wird unter Gewährleistung eines ausreichend großen Förderdrucks, eine annähernd lineare Austrittstrajektorie des zerstäubten Produktwassers in dem Austrittskegel zugrunde gelegt. Die genannte Konfiguration ist je nach Länge der Vorkonditionierungskammer in Strömungsrichtung insbesondere ab einem Öffnungswinkel des Auslasskegels ab 90° oder größer

sicher erzielbar.

Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn eine Auslassachse der wenigstens einen Verdunstungs-Einspeisedüse in einem spitzen Winkel von 0° bis 90° Grad zu einer Strömungsachse des Kathodenzuführgases in die Vorkonditionierungskammer mündet, wobei ein Winkel von 0° eine stromabwärts gerichtete Austrittsachse in einer Strömungsrichtung des Kathodenzuführgases definiert. Durch diese gegenseitige

Ausrichtung von Strömungen kann ein Unterdruck an der Einmündung der Verduns-

tungs-Einspeisedüse in den betreffenden Gasstrom erzielt werden. Demzufolge kann

ein Förderdruck zur Einspeisung des Produktwasser reduziert werden oder idealer-

weise eine Bereitstellung des Förderdrucks entfallen.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn zwischen einem Einlassabschnitt und einem Auslassabschnitt der Vorkonditionierungskammer ein Verjüngungsabschnitt mit einem verringerten Strömungsquerschnitt der Vorkonditionierungskammer ausgebildet ist, wobei die wenigstens eine Verdunstungs-Einspeisedüse innerhalb des Verjüngungsabschnitts in die Vorkonditionierungskammer mündet. Durch diese alternative oder zusätzliche Ausgestaltung wird der betreffende Gasstrom innerhalb des verJüngten Strömungsquerschnitts beschleunigt, während eine radiale Kontraktion des Gasstroms einen Unterdruck an einer radial einwärts gerichteten Einmündung der Verdunstungs-Einspeisedüse in den Gasstrom bewirkt. Die genannte Wirkung ist als Venturi-Effekt bekannt, wobei die genannte Konfiguration der Vorkonditionierungskammer einschließlich der Vorkonditionierungskammer vorzugsweise gemäß dem Vorbild einer bekannten Venturi-Düse bzw. eines Venturi-Rohrs ausgebildet oder geometrisch optimiert ist. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung kann eine Pumpe zur Bereitstellung eines Förderdruck zur Einspeisung des Produktwasser idealerweise

entfallen.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der Einspeiseabschnitt wenigstens eine Verdunstungs-Oberfläche für eine Exposition des Produktwassers zu dem Kathodenzuführgas in dem Strömungsquerschnitt der Vorkonditionierungskammer umfasst. Eine Verdunstung von Produktwasser, das über eine Oberfläche in den betreffenden Gasstrom eingeleitet und/oder exponiert wird, stellt eine zweite Variante der erfin-

dungsgemäßen direkten Einspeisung des Produktwassers in den Gasstrom dar.

So ist es beispielsweise denkbar, dass das Produktwasser aus dem Wasserzuführabschnitt über die Verdunstungs-Oberfläche des Einspeiseabschnitts in einen Strömungsquerschnitt der Vorkonditionierungskammer hinein fließt und unter Exposition zum Gasstrom verdunstet. In diesem Fall ist kein oder nur ein geringer Förderdruck zur Einspeisung des Produktwassers erforderlich. Insbesondere kann beispielsweise eine Ausnutzung der Schwerkraft in einer Leitungsstrecke des Wasserzuführabschnitts und des Einspeiseabschnitts erfolgen und zur Einspeisung ausrei-

chend sein.

vorzusehen.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die wenigstens eine Verdunstungs-Oberfläche eine Fläche mit Öffnungen aufweist. Bei dieser alternativen Ausgestaltung der Verdunstungs-Oberfläche wird ein Strömungswiderstand für den Gasstrom bereits innerhalb der Fläche und unabhängig von einer Ausrichtung derselben verringert. Je größer eine Teilfläche der Öffnungen im Verhältnis der gesamten Fläche ist, desto größer kann ein Neigungswinkel der Verdunstungs-Oberfläche in den Gasstrom ausfallen. Beispielsweise kann eine Verdunstungs-Oberfläche mit einer gitterartigen Struktur und maschenartigen Öffnungen auch senkrecht zu einer Strömungsrichtung des betreffenden Gasstroms ausgerichtet sein und einen gesamten Strömungsquerschnitt der Vorkonditionierungskammer einnehmen, und dennoch einen erfindungsgemäß

beabsichtigten, geringen Strömungswiderstand gewährleisten.

Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn zwischen einem Einlassabschnitt und einem Auslassabschnitt der Vorkonditionierungskammer ein Verjüngungsabschnitt mit einem verringerten Strömungsquerschnitt der Vorkonditionierungskammer ausgebildet ist, wobei die wenigstens eine Verdunstungs-Oberfläche innerhalb des Verjüngungsabschnitts in der Vorkonditionierungskammer angeordnet ist. Analog zu der oben beschriebenen Konfiguration in Bezug auf den Venturi-Effekt, wird bei dieser alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung ebenfalls der betreffende Gasstrom innerhalb des verjüngten Strömungsquerschnitts beschleunigt, während eine radiale Kontraktion des Gasstroms einen Unterdruck im Gasstrom bewirkt. Der Unterdruck begünstigt wiederum eine Verdampfung von Produktwasser, das innerhalb des VerJüngungsabschnitt der Vorkonditionierungskammer auf einer Verdunstungs-

Oberfläche zum betreffenden Gasstrom exponiert ist. Ferner kann ein Förderdruck

stellung des Förderdrucks entfallen.

Weiter von Vorteil kann es sein, wenn der Einspeiseabschnitt sowohl eine Verdunstungs-Einspeisedüse für eine Zerstäubung des Produktwassers, als auch eine Verdunstungs-Oberfläche für eine Exposition des zerstäubten Produktwassers in der Vorkonditionierungskammer umfasst, wobei die Verdunstungs-Einspeisedüse stromaufwärts von der Verdunstungs-Oberfläche angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltungskombination wird ein zerstäubter Sprühnebel des Produktwassers im Wesentlichen kontinuierlich oder regelmäßig in den Gasstrom abgegeben, wobei ein Teil des abtransportierten Sprühnebels auf die Verdunstungs-Oberfläche aufgetragen wird, ehe ein entsprechender Niederschlag von Tröpfchen auf der VerdunstungsOberfläche unter Exposition zum Gasstrom weiter verdunstet. Auf diese Weise wird ein Sprühnebel nochmals teilweise aufgefangen und zur Verdunstung in der Vorkonditionierungskammer gehalten. Demzufolge kann entgegenwirkt werden, dass der Sprühnebel direkt von dem Gasstrom abgeführt wird und ggf. in eine weiter Systemkomponente gelangt, ehe der Sprühnebel verdunstet ist. Insbesondere kann entgegengewirkt werden, dass der Sprühnebel in einem nachgelagerten Intercooler bereits wieder auskondensiert bevor er verdunstet ist, wodurch eine Verteilung des Feuch-

tigkeitsgehalts im Gasstrom beeinträchtigt wäre.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, aufweisend eine erfindungsgemäße Vorkonditionierungsvorrichtung in einem Kathodenzuführabschnitt. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Vorkonditionierungsvorrichtung erläutert worden sind. Insbesondere kann auf diese Weise in einer mobilen Anwendung wie einer Leistungserzeugung in einem Fahrzeug, ein einfacher und kostengünstiger Aufbau zur Gewichts- und Kosteneinsparung an Systemkomponenten oder einer Kapazitätserhöhung in Bezug auf dieselben

bereitgestellt werden.

Hierbei ist es von Vorteil, wenn der Wasserzuführabschnitt in fluuıudkommunizierender Verbindung mit einem Sammelabschnitt des Brennstoffzellensystems für eine Ansammlung von Produktwasser aus dem Brennstoffzellenstapel steht. Somit kann in einer mobilen Anwendung, wie einer Leistungserzeugung in einem Fahrzeug, das an

Board anfallende Produktwasser vorteilhaft genutzt werden.

Vorteilhaft ist es, wenn in dem Brennstoffzellensystem die Vorkonditionierungsvorrichtung stromabwärts von einem Verdichter angeordnet ist. Insbesondere bei einem durch die Verdichtung erwärmten Gasstrom profitiert das Brennstoffzellensystem von dem Wärmeentzug der Verdampfungsenthalpie während des Verdunstens des Produktwassers bei der erfindungsgemäßen Vorkonditionierung. Umgekehrt begünstigt ein durch die Verdichtung erwärmter Gasstrom die erläuterte Wirkungsweise der er-

findungsgemäßen Vorkonditionierungsvorrichtung.

Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn in dem Brennstoffzellensystem die Vorkonditionierungsvorrichtung stromaufwärts von einem Wärmetauscher angeordnet ist. Das Brennstoffzellensystem profitiert bei der genannten Anordnungsreihenfolge in Strömungsrichtung davon, dass der Wärmetauscher bzw. ein bekannter Intercooler aufgrund der Vorkonditionierung eine geringere Kühlleistung zu erbringen hat.

Dabei ist es von Vorteil, wenn die Vorkonditionierungsvorrichtung und der Wärmetauscher als eine integrale Konditionierungsvorrichtung zur Konditionierung des Kathodenzuführgases ausgebildet sind, wobei die Vorkonditionierungsvorrichtung einen stromaufwärts gerichteten Abschnitt der integralen Konditionierungsvorrichtung bildet. Durch die Integration der beiden Systemkomponenten können die Bereitstellungskosten, Montagekosten und das Systemvolumen des Brennstoffzellensystems

verringert werden.

Ebenso vorteilhaft ist es, wenn in dem Brennstoffzellensystem die Vorkonditionierungsvorrichtung stromaufwärts von einer Befeuchtungsvorrichtung angeordnet ist. Das Brennstoffzellensystem profitiert bei der genannten Anordnungsreihenfolge in Strömungsrichtung davon, dass die Befeuchtungsvorrichtung aufgrund der erfindungsgemäßen Vorkonditionierung einen geringeren Feuchtigkeitseintrag aufzubrin-

gen hat.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Vorkonditionierung eines Kathodenzuführgases in einem Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorkonditionierungsvorrichtung, einem Verdichter und einem Wär-

metauscher, aufweisend die folgenden Schritte:

- Verdichten des Kathodenzuführgases mittels des Verdichters;

tionierungsvorrichtung; und

- Kühlen des vorkonditionierten Kathodenzuführgases mittels des Wärmetau-

schers. Von Vorteil ist es ferner, wenn anschließend der folgende Schritt erfolgt:

- Befeuchten des gekühlten Kathodenzuführgases mittels der Befeuchtungsvorrichtung 148.

Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem sowie eine

erfindungsgemäße Vorkonditionierungsvorrichtung erläutert worden sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schema-

tisch:

Fig. 1 eine Anordnung der erfindungsgemäßen Vorkonditionierungs-vorrichtung in dem Systemkontext eines Brennstoffzellensystems,

Fig. 2 Varianten zur Ausgestaltung verschiedener Ausführungsformen einer er-

findungsgemäßen Vorkonditionierungsvorrichtung,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorkonditionie-

rungsvorrichtung.

In Figur 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 schematisch dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 110 mit einem Anodenabschnitt 112 und einem Kathodenabschnitt 114. Der Kathodenabschnitt 114 ist mit einem Kathodenzuführabschnitt 140 zum Zuführen von Kathodenzuführgas verbunden, der ein Reaktionsgas, insbesondere sauerstoffhaltige Luft zuführt. Zudem ist der Kathodenabschnitt 114 mit einem Kathodenabführabschnitt 142 zum Abführen von Kathodenabgas verbunden. Der Anodenabschnitt 112 ist mit einem Anodenzuführabschnitt 120 zum Zuführen von Anodenzuführgas verbunden, der in bekannter

Weise ein Brennstoffgas, insbesondere Wasserstoff zuführt. Ferner ist der Anoden-

gas in bekannter Weise verbunden.

Eine Vorkonditionierungsvorrichtung 10 bildet einen Teil des Kathodenzuführabschnitts 140, der ferner einen Verdichter 144 bzw. einen Kompressor mit einem Luftfilter 143, einen Wärmetauscher 146 bzw. Intercooler, der an einem Kühlflüssigkeitskreislauf angeschlossen ist, und eine Befeuchtungsvorrichtung 148, die einen Feuchtigkeitsaustausch mit dem Kathodenabführabschnitt 142 herstellt, umfasst. Die Vorkonditionierungsvorrichtung 10 ist in einer Zuführstrecke des Kathodenzuführabschnitts 140 zwischen dem Verdichter 144 und dem Wärmetauscher 146 angeordnet. Die Vorkonditionierungsvorrichtung 10 ist in einem Einlassabschnitt des Wärmetauschers 146 baulich integriert, sodass beide Einheiten eine integrale Konditionierungsvorrichtung 145 bilden und von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben sind.

Ferner ist die Vorkonditionierungsvorrichtung 10 über eine Leitung mit einem Sammelabschnitt 50 oder mit einer externen Wasserzufuhr verbunden. Der Sammelabschnitt 50 umfasst ein Reservoir zum Auffangen eines Produktwassers, d.h. einem Wasser, das in einem Leistungserzeugungsprozess des Brennstoffzellenstapels erzeugt wird. Obwohl nicht schematisch dargestellt, kann die Vorkonditionierungsvorrichtung 10 in einer Schwerkraftrichtung unterhalb des Sammelabschnitts 50 angeordnet sein, sodass die Schwerkraft eine Förderung des Produktwassers zur Vorkonditionierungsvorrichtung 10 unterstützt. Es kann jedoch auch eine nicht dargestellte Pumpe zur Förderung des Produktwassers zwischen dem Sammelabschnitt 50 oder dem Brennstoffzellenstapel 110 und der Vorkonditionierungsvorrichtung 10

vorgesehen sein.

In Figur 2 sind Varianten zur Ausgestaltung dargestellt, die zu mehreren Ausführungsformen der Vorkonditionierungsvorrichtung 10 verwendet werden können und

auch miteinander kombinierbar sind.

Die Vorkonditionierungsvorrichtung 10 umfasst einen Wasserzuführabschnitt 20, einen Gaszuführabschnitt 30, eine Vorkonditionierungskammer 40 und einen Gasabführabschnitt 60. Der Gaszuführabschnitt 30 und der Gasabführabschnitt 60 sind in der Realität insbesondere mit einem Querschnitt ausgebildet, welcher etwa einem Querschnitt der Vorkonditionierungsvorrichtung 10 entspricht. Dies ist in der Fig. 2 nicht dargestellt. Durch einen Strömungsquerschnitt der Vorkonditionierungskammer

40 strömt ein Gasstrom des Kathodenzuführgases, das aus dem Gaszuführabschnitt

30 zugeführt wird und von dem Gasabführabschnitt 60 abgeführt wird. Vor dem Gaszuführabschnitt 30 durchströmt das Kathodenzuführgas den Verdichter 144. Nach dem Gasabführabschnitt 60 strömt das Kathodenzuführgas weiter in den Wärmetauscher 146. In Fig. 2 sind genaugenommen nur jeweils Leitungen zum Verdichter 144 und Wärmetauscher 146 gezeigt. Der Gaszuführabschnitt 30 und der Gasabführabschnitt 60 können als eine Systemschnittstelle zu dem Kathodenzuführabschnitt 140

aus Figur 1 aufgefasst werden.

In der Vorkonditionierungskammer 40 oder zumindest in die Vorkonditionierungskammer 40 hinein erstreckend, ist ein Einspeiseabschnitt 22 angeordnet, der eine Verlängerung bzw. ein Endabschnitt einer Leitungsstrecke des Wasserzuführabschnittes 20 bildet, welcher ein Produktwasser aus dem Sammelabschnitt 50 in die Vorkonditionierungskammer 40 zuführt. Der Wasserzuführabschnitt 20 kann also ebenfalls als eine Systemschnittstelle zu dem Sammelabschnitt 50 aufgefasst wer-

den.

In einer Ausführungsform umfasst die Vorkonditionierungsvorrichtung 10 die in Fig. 2 dargestellte Variante eines Einspeiseabschnitts 22 mit einer VerdunstungsEinspeisedüse 24. Die Verdunstungs-Einspeisedüse 24 lässt das zugeführte Produktwasser durch eine Düsenöffnung direkt in den passierenden Gasstrom aus, insbesondere zerstäubt sie dieses unter Bereitstellung eines Förderdrucks. Eine Geometrie der Verdunstungs-Einspeisedüse 24 ist dazu ausgelegt, einen Austrittskegel AK zu erzeugen, dessen Austrittsquerschnitt AQ entlang einer Austrittsachse AA in Strömungsrichtung expandiert und dabei den Strömungsquerschnitt der Vorkonditionierungskammer 40 vollständig einnimmt. Ferner ist eine Anordnung von Düsenöffnungen beispielsweise derart angeordnet, dass auch in einem mittleren Bereich des Austrittskegel ein Austritt bzw. eine Zerstäubung von Produktwasser erzeugt wird. Der zerstäubte Sprühnebel wird von dem Gasstrom aufgenommen und verdunstet darin, sodass das Kathodenzuführgas abgekühlt wird und einen Feuchtigkeitseintrag erfährt.

In einer anderen Ausführungsform umfasst die Vorkonditionierungsvorrichtung 10 die ebenfalls in Fig. 2 dargestellte Variante eines Wasserzuführabschnitts 20‘ und eines Einspeiseabschnitts 22‘ mit einer Verdunstungs-Oberfläche 26 mit Öffnungen 28. Genauer genommen ist die Ausgestaltung der Verdunstungs-Oberfläche 26 mit Öff-

nungen 28 in Form eines Gitters, wie beispielsweise eines Streckgitters bereitge-

stellt. Der Einspeiseabschnitt 22‘ ist als ein breiter werdender Verteilerkanal oder

mehrere Kanäle ausgebildet, die eine Benetzung der verzweigten Verdunstungs-

Oberfläche 26 sicherstellen, wobei das zugeführte Produktwasser über die verzweig-

te Verdunstungs-Oberfläche 26 läuft oder tropft und anhand von Verwirbelungen des

Gasstroms, der sich durch die Öffnungen 28 der Verdunstungs-Oberfläche 26 auf-

teilt, begünstigt aufgenommen wird.

In einer kombinierten Ausführungsform, die ebenfalls der Darstellung aus Fig. 2 entnommen werden kann, umfasst die Vorkonditionierungsvorrichtung 10 sowohl die Variante der dargestellten Verdunstungs-Einspeisedüse 24 als auch die Variante der dargestellten Verdunstungs-Oberfläche 26 mit Öffnungen 28. Dabei kann der Einspeiseabschnitts 22‘ zu der Verdunstungs-Oberfläche 26 wahlweise entfallen. Bei dieser Ausführungsform wird der aus der Verdunstungs-Einspeisedüse 24 erzeugte Sprühnebel in einer Strömungsachse SA des Gasstroms eingebracht und teilweise auf die Oberfläche 26 mit Öffnungen 28 aufgebracht. Mit anderen Worten wird ein Teil des Sprühnebels an der Oberfläche 26 aufgefangen und in einem insbesondere

Bereich des Gasstroms, der die Öffnungen 28 passiert, verdunstet.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der Vorkonditionierungsvorrichtung 10 dargestellt, die nach dem Prinzip eines Venturi-Rohrs ausgestaltet ist. Dabei weist die Vorkonditionierungskammer 40 unterschiedliche Strömungsquerschnitte auf. Ein Strömungsquerschnitt eines Verjüngungsabschnitts 44 ist kleiner als ein Strömungsquerschnitt eines Einlassabschnitts 42 und eines Auslassabschnitts 46. Der Einspeiseabschnitt 22 weist mehrere Verdunstungs-Einspeisedüse 24 auf, die über einen Umfang der Vorkonditionierungskammer 40 verteilt angeordnet sind. Die Verdunstungs-Einspeisedüsen 24 können senkrecht, oder wie dargestellt in einem spitzen Winkel in Bezug zu dem Gasstrom in die Vorkonditionierungskammer 40 münden. Die Mündungen der Verdunstungs-Einspeisedüsen 24 sind im Bereich des kleineren Strömungsquerschnitts des Verjüngungsabschnitts 44 angeordnet, in welchem ein strömungsdynamisch erzeugter Unterdruck herrscht. Der Unterdruck begünstigt die Einspeisung sowie die Verteilung und Verdunstung des eingelassenen tropfenförmigen bzw. zerstäubten Produktwassers, wobei sich die Auslasskegel AK der Verdunstungs-Einspeisedüsen 24 überschneiden.

Die voranstehenden Erläuterungen der Ausführungsformen beschreiben die vorlie-

gende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich kön-

nen einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

10 Vorkonditionierungsvorrichtung 20/20‘ Wasserzuführabschnitt 22/22‘ Einspeiseabschnitt

24 Verdunstungs-Einspeisedüse 26 VWVerdunstungs-Oberfläche

28 Öffnungen

30 Gaszuführabschnitt

40 Vorkonditionierungskammer 42 Einlassabschnitt

44 Verjüngungsabschnitt

46 Auslassabschnitt

50 Sammelabschnitt

60 Gasabführabschnitt

100 Brennstoffzellensystem

110 Brennstoffzellenstapel

112 Anodenabschnitt

114 Kathodenabschnitt

120 Anodenzuführabschnitt

122 Anodenabführabschnitt

140 Kathodenzuführabschnitt

142 Kathodenabführabschnitt

143 Luftfilter

144 Verdichter

145 integrale Konditionierungsvorrichtung 146 Wärmetauscher

148 Befeuchtungsvorrichtung

SA Strömungsachse AA _ Auslassachse AK _ Auslasskegel

AQ — Auslassquerschnitt

Claims

Patentansprüche

1. Vorkonditionierungsvorrichtung (10) für ein Vorkonditionieren von einem Kathodenzuführgas in einem Brennstoffzellensystem (100), aufweisend einen Wasserzuführabschnitt (20) für eine Zufuhr von Produktwasser, einen Gaszuführabschnitt (30) für eine Zufuhr des Kathodenzuführgases und eine Vorkonditionierungskammer (40) für eine Verdunstung von Produktwasser in dem Kathodenzuführgas, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einspeiseabschnitt (22) vorgesehen ist, der für eine direkte Einspeisung des Produktwassers aus dem Zuführabschnitt (20) in das Kathodenzuführgas in der Vorkonditionierungskammer (40) angeordnet ist, wobei ein Gasabführabschnitt (60) für ein Abführen von vorkonditioniertem Kathodenzuführgas aus der Vorkonditionierungskammer (40) vorgesehen ist.

2. Vorkonditionierungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspeiseabschnitt (22) wenigstens eine VerdunstungsEinspeisedüse (24) für eine Zerstäubung des Produktwassers in die Vorkondi-

tionierungskammer (40) umfasst.

3. Vorkonditionierungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdunstungs-Einspeisedüse (24) einen Auslasskegel (AK) mit einem expandierenden Auslassquerschnitt (AQ) entlang einer Auslassachse (AA) aufweist.

4. Vorkonditionierungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassquerschnitt (AQ) des Auslasskegels (AK) größer oder gleich

einem Strömungsquerschnitt der Vorkonditionierungskammer (40) ist.

5. Vorkonditionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auslassachse (AA) der wenigstens einen Verdunstungs-Einspeisedüse (24) in einem spitzen Winkel von 0° bis 90° Grad zu einer Strömungsachse (SA) des Kathodenzuführgases in die Vorkonditionierungskammer (40) mündet, wobei ein Winkel von 0° eine stromabwärts gerichtete Austrittsachse (AA) in einer Strömungsrichtung des Kathodenzuführgases

definiert.

6. Vorkonditionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch

gekennzeichnet, dass zwischen einem Einlassabschnitt (42) und einem Aus-

lassabschnitt (46) der Vorkonditionierungskammer (40) ein Verjüngungsab-

schnitt (44) mit einem verringerten Strömungsquerschnitt der Vorkonditionie-

rungskammer (40) ausgebildet ist, wobei die wenigstens eine Verdunstungs-

Einspeisedüse (24) innerhalb des Verjüngungsabschnitts (44) in die Vorkondi-

tionierungskammer (40) mündet.

7. Vorkonditionierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspeiseabschnitt (22°) wenigstens eine Verdunstungs-Oberfläche (26) für eine Exposition des Produktwassers zu dem Kathodenzuführgas in dem Strömungsquerschnitt der Vorkonditionierungs-

kammer (40) umfasst.

8. Vorkonditionierungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Verdunstungs-Oberfläche (26) eine geschlossene

Fläche aufweist.

9. Vorkonditionierungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Verdunstungs-Oberfläche (26) eine Fläche mit Öff-

nungen (28) aufweist.

10. Vorkonditionierungsvorrichtung nach einem der Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Einlassabschnitt (42) und einem Auslassabschnitt (46) der Vorkonditionierungskammer (40) ein Verjüngungsabschnitt (44) mit einem verringerten Strömungsquerschnitt der Vorkonditionierungskammer (40) ausgebildet ist, wobei die wenigstens eine VerdunstungsOberfläche (26) innerhalb des Verjüngungsabschnitts (44) in der Vorkonditio-

nierungskammer (40) angeordnet ist.

11. Vorkonditionierungsvorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspeiseabschnitt (22) sowohl eine Verdunstungs-Einspeisedüse (24) für eine Zerstäubung des Produktwassers, als auch eine Verdunstungs-Oberfläche (26) für eine Exposition des zerstäubten Produktwassers in der Vorkonditionierungskammer (40) umfasst, wobei die Verdunstungs-Einspeisedüse (24) stromaufwärts von der VerdunstungsOberfläche (26) angeordnet ist.

12. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend

- zumindest einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (112) und einem Kathodenabschnitt (114),

- einen Anodenzuführabschnitt (120) zum Zuführen von Anodenzuführgas zu dem Anodenabschnitt (112),

- einen Kathodenzuführabschnitt (140) zum Zuführen von Kathodenzu-

führgas zum Kathodenabschnitt (114),

- einen Anodenabführabschnitt (122) zum Abführen von Anodenabgas, und

- einen Kathodenabführabschnitt (142) zum Abführen von Kathodenabgas,

wobei in dem Kathodenzuführabschnitt (140) eine Vorkonditionierungsvorrichtung (10) für ein Vorkonditionieren des Kathodenzuführgases mit den Merkma-

len eines der Ansprüche 1 bis 11 angeordnet ist.

13. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserzuführabschnitt (20) in fluidkommunizierender Verbindung mit einem Sammelabschnitt (50) des Brennstoffzellensystems (100) für eine

Ansammlung von Produktwasser aus dem Brennstoffzellenstapel (110) steht.

14. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 12 oder 13, ferner aufweisend: einen Verdichter (144) zur Verdichtung des Kathodenzuführgases, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkonditionierungsvorrichtung (10) stromabwärts von dem Verdichter (144) angeordnet ist.

15. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, ferner aufweisend: einen Wärmetauscher (146) zum Kühlen des verdichteten Kathodenzuführgases, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkonditionierungsvorrichtung (10) stromaufwärts von dem Wärmetauscher (146) angeordnet ist.

16. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkonditionierungsvorrichtung (10) und der Wärmetauscher (146) als eine integrale Konditionierungsvorrichtung (145) zur Konditionierung des

Kathodenzufuhrgases ausgebildet sind; wobei die Vorkonditionierungsvorrich-

nierungsvorrichtung (145) bildet.

17. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, ferner aufweisend: Befeuchtungsvorrichtung (148) zum Befeuchten des verdichteten Kathodenzuführgases, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkonditionierungsvorrichtung (10) stromaufwärts von Befeuchtungsvorrichtung (148) an-

geordnet ist.

18. Verfahren zur Vorkonditionierung eines Kathodenzuführgases in einem Brennstoffzellensystem (100) nach den Ansprüchen 14 und 15; aufweisend die Schritte:

- Verdichten des Kathodenzuführgases mittels des Verdichters (144);

- Vorkonditionieren des verdichteten Kathodenzuführgases durch direktes Einspeisen von Produktwasser in das Kathodenzuführgas mittels der

Vorkonditionierungsvorrichtung (10); und

- Kühlen des vorkonditionierten Kathodenzuführgases mittels des Wärmetauschers (146).

19. Verfahren zur Vorkonditionierung eines Kathodenzuführgases nach Anspruch 18 in einem Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 17, dadurch ge-

kennzeichnet, dass das Verfahren ferner den Schritt aufweist:

- Befeuchten des gekühlten Kathodenzuführgases mittels der Befeuch-

tungsvorrichtung (148).