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    • 专利摘要:
    Es ist ein System zur thermischen Konditionierung, Befeuchtung und Filterung von an einen Stapel von Brennstoffzellen zu liefernden Reaktandenzufuhrgasen beschrieben, das ein Verdampfungselement, einen Wassersprühmechanismus und einen Wärmetauscher verwendet. Das Verdampfungselement funktioniert auch als ein Filter. Das Verdampfungselement kann die Form einer auswechselbaren Packung (Filtermedium) annehmen. Die Verwendung einer Steuerung, um die Rate von zerstäubtem Wasser zusätzlich zu dem Zufuhrgasstrom zu verwalten, ist ebenfalls beschrieben. Es werden Vorteile hinsichtlich des Filterwirkungsgrads wie auch einer erweiterten Filternutzungsdauer zusammen mit einer Volumen-, Gewichts- und Kostenverringerung in einem Brennstoffzellensystem erzielt.A system for thermal conditioning, humidification, and filtering of reactant supply gases to be delivered to a stack of fuel cells is described that uses an evaporator, a water spray mechanism, and a heat exchanger. The evaporation element also works as a filter. The evaporation element can take the form of an exchangeable packing (filter medium). The use of a controller to manage the rate of atomized water in addition to the feed gas stream is also described. Advantages in terms of filter efficiency as well as an extended filter service life are achieved together with a volume, weight and cost reduction in a fuel cell system.
    公开号:DE102004006025A1
    申请号:DE102004006025
    申请日:2004-02-06
    公开日:2004-08-26
    发明作者:Dirk Wexel；Bernhardt Wnendt
    申请人:Motors Liquidation Co；
    IPC主号:H01M8-02
    专利说明:
    [0001] Die vorliegende Erfindung betriffteine Gaskonditionierung eines Brennstoffzellenenergiessytems undinsbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Konditionierungder Temperatur, der Feuchte und /oder Reinheit von an einen Brennstoffzellenstapelgelieferten Reaktandengasen.The present invention relates toa gas conditioning of a fuel cell energy system andin particular a device and a method for conditioningthe temperature, humidity and / or purity of a fuel cell stacksupplied reactant gases.
    [0002] Brennstoffzellenenergiesysteme wandelneinen Brennstoff und ein Oxidationsmittel in Elektrizität um. EinTyp von Brennstoffzellenenergiesystem, an dem lebhaftes Interessebesteht, macht Gebrauch von einer Protonenaustauschmembran (nachfolgend "PEM"), um eine Reaktionvon Brennstoffen (wie beispielsweise Wasserstoff) und Oxidationsmitteln(wie beispielsweise Luft/Sauerstoff) in Elektrizität katalytischzu erleichtern. Die PEM ist ein Festpolymerelektrolyt, der einen Übergangvon Protonen von der Anode auf die Kathode in jeder einzelnen Brennstoffzelledes aus Brennstoffzellen bestehenden Stapels erleichtert, der normalerweisein einem Brennstoffzellenenergiesystem verwendet wird.Convert fuel cell energy systemsa fuel and an oxidant into electricity. OnType of fuel cell energy system in which lively interestexists, makes use of a proton exchange membrane (hereinafter "PEM") to reactof fuels (such as hydrogen) and oxidizing agents(such as air / oxygen) in electricity catalyticto facilitate. The PEM is a solid polymer electrolyte that has a transitionof protons from the anode to the cathode in every single fuel cellof the fuel cell stack, which is normally relievedis used in a fuel cell energy system.
    [0003] Bei einer typischen Brennstoffzellenanordnung(Stapel bzw. "Stack") in einem Brennstoffzellenenergiesystembesitzen einzelne Brennstoffzellen Gasverteilerfelder bzw. Flow-Fieldsmit Einlässenzu Fluidsammelleitungen. Diese stellen gemeinsam Kanäle für die verschiedenenReaktanden- und Kühlfluide,die in dem Stapel reagieren sollen, zur Ver sorgung jeder einzelnenZelle zur Verfügung.Gasdiffusionsanordnungen sehen dann eine abschließende Fluidverteilungvor, um Reaktandenfluide von dem Gasverteilerfeldraum weiter andie reaktive Anode und Kathode zu verteilen. Diese Diffusionsabschnitte sindvorteilhafterweise häufigals Teil der Konstruktion von Kollektorelektroden eingebettet, diean die reaktive Anode und Kathode gepresst werden.In a typical fuel cell arrangement(Stack) in a fuel cell energy systemhave individual fuel cells, gas distribution fields or flow fieldswith inletsto fluid manifolds. Together they provide channels for the differentReactant and cooling fluids,that should react in the stack, to supply each oneCell available.Gas diffusion arrangements then see a final fluid distributionforward to reactant fluids from the gas distribution field spaceto distribute the reactive anode and cathode. These are diffusion sectionsadvantageously oftenembedded as part of the construction of collector electrodes thatare pressed against the reactive anode and cathode.
    [0004] Ein effektiver Betrieb einer PEMerfordert eine ausgeglichene Versorgung von Wasser in dem Polymereiner PEM, um deren Protonenleitfähigkeit aufrechtzuerhalten,währenddie Gasverteilerfeldkanäleund Gasdiffusionsanordnungen in nicht gefluteten Betriebszuständen beibehaltenwerden müssen. Diesbezüglich wirdder Wasserstoff an die Anodenseite der MEA geliefert und reagiertmit dem Katalysator daran, um Wasserstoffkationen und freie Elektronenzu bilden. Das Oxidationsmittel, typischerweise Sauerstoff odersauerstoffhaltige Luft, wird an die Kathodenseite der MEA geliefertund reagiert mit Wasserstoffkationen, die die Protonenaustauschmembrandurchquert haben, um Wasser zu bilden. Somit erzeugt die Brennstoffzelledurch die elektrochemische Reaktion sowohl Elektrizität als auch Wasser,wobei das Wasser mit dem Kathodenabfluss entfernt wird und damitdie PEM der Brennstoffzelle entwässertwird, sofern das Wasser nicht anderweitig ersetzt wird. Es sei auchangemerkt, dass die Einlassluftdurchflussrate zu der Kathode Wasservon der Protonenaustauschmembran allgemein mit einer noch höheren Rateals der Rate der Wassererzeugung (und begleitenden Entwässerungder PEM) überdie Reaktion an der Kathode verdampft.An effective operation of a PEMrequires a balanced supply of water in the polymera PEM to maintain its proton conductivity,whilethe gas distribution field channelsand maintain gas diffusion arrangements in non-flooded operating conditionsNeed to become. In this regardthe hydrogen is delivered to the anode side of the MEA and reactswith the catalyst on it to get hydrogen cations and free electronsto build. The oxidizing agent, typically oxygen oroxygen-containing air is supplied to the cathode side of the MEAand reacts with hydrogen cations that proton exchange membranehave crossed to form water. The fuel cell thus generatesdue to the electrochemical reaction both electricity and water,whereby the water is removed with the cathode drain and thusthe PEM of the fuel cell drainsunless the water is replaced otherwise. It is toonoted that the inlet air flow rate to the cathode is waterfrom the proton exchange membrane generally at an even higher ratethan the rate of water production (and accompanying drainagethe PEM)the reaction at the cathode evaporates.
    [0005] Die polymere PEM besitzt, wenn Wasseran sie angelagert ist, "saure" Eigenschaften, dieein Medium vorsehen, um Protonen von der Anode an die Kathode derBrennstoffzelle zu leiten. Wird an die PEM jedoch nicht ausreichendWasser angelagert, verringert sich der "saure" Charakter mit einer entsprechendenVerringerung der gewünschtenelektrochemischen Reaktion der Zelle. Eine Wasseranlagerung an eineBrennstoffzellen-PEM unterstütztauch eine Temperatursteuerung in der Brennstoffzelle in der Form,dass die Wärmekapazität von Wassereine Wärmesenkevorsieht.The polymeric PEM possesses when waterattached to them are "acidic" properties thatprovide a medium to transfer protons from the anode to the cathodeTo conduct fuel cells. However, the PEM does not get enoughAccumulated water, the "acidic" character decreases with a correspondingReducing the desiredelectrochemical reaction of the cell. A water attachment to aFuel cell PEM supportedalso a temperature control in the fuel cell in the formthat the heat capacity of watera heat sinkprovides.
    [0006] Es ist auch erforderlich, die Gasverteilerfeldkanäle und Gasdiffusionsanordnungenin Bezug auf Partikel in einem Zustand ohne Ablagerung bzw. Verstopfungbeizubehalten, die in den die Zelle speisenden gasförmigen Oxidationsmittel-und Brennstofffluiden vorhanden sein können. Dies ist für das Oxidationsmittelin Brennstoffzellenenergiesystemen, die in Fahrzeugen verwendetwerden, besonders relevant, wenn das Oxidationsmittel Luft ist,da der Zustand von Luft von Ort zu Ort schwankt und das Fahrzeug klardie Aufgabe hat, einen Transport von Ort zu Ort vorzusehen. Zu diesemZweck werden herkömmlich allgemeinFilter in Fahrzeugen verwendet, um saubere Luft sowohl an Brennstoffzellenals auch schließlichan die meisten Verbrennungsmotoren, die herkömmlich in Fahrzeugen verwendetwerden, zu liefern.It is also required the gas distribution field channels and gas diffusion arrangementswith regard to particles in a state without deposits or cloggingmaintain the gaseous oxidizing agents in the celland fuel fluids may be present. This is for the oxidizerin fuel cell energy systems used in vehiclesbecome particularly relevant if the oxidant is air,because the condition of air varies from place to place and the vehicle is clearthe task is to provide transportation from place to place. To thisPurpose becomes common generallyFilters used in vehicles to provide clean air to both fuel cellsas well eventuallyto most internal combustion engines that are commonly used in vehiclesare going to deliver.
    [0007] Es ist auch notwendig, eine thermischeKonditionierung von Zufuhrgasen zu dem Brennstoffzellenstapel vorzusehen.Diesbezüglichsoll die Temperatur der Zufuhrgase in einem Betriebsbereich beibehaltenwerden. Jedoch könnendie Umgebungsbedingungen der Umwelt wie auch die Betriebsbedingungendes Brennstoffzellensystems eine Abweichung der Temperatur der Zufuhrgasevon dem gewünschtenTemperaturbereich zur Folge haben.It is also necessary to have a thermalProvide conditioning of feed gases to the fuel cell stack.In this regard,is to maintain the temperature of the feed gases in an operating areabecome. However, canthe environmental conditions of the environment as well as the operating conditionsof the fuel cell system, a deviation in the temperature of the feed gasesof the desired oneResult in a temperature range.
    [0008] Zusätzlich zur Wassergleichgewichts-,Filtrierungs- wie auch Temperaturkonditionierung von Zufuhrgasenzielt ein anderer Punkt bei der Planung und Auslegung von Brennstoffzellenzur Verwendung in Fahrzeugen auf die effiziente Verwendung von Raumab. Diesbezüglichist Raum in einem Fahrzeug wertvoll, und Entwicklungsversuche, dieeine effiziente Verwendung von Raum in dem Fahrzeug darstellen,begünstigendie Verwendbarkeit des Fahrzeugs deutlich. Dies führt zu einerIntegrierung des Befeuchtungssystems oder Gaskonditionierungssystemsin jeder der vorgesehenen Brennstoffzellen.In addition to water balance,Filtration and temperature conditioning of feed gasesAnother point is aimed at the planning and design of fuel cellsfor use in vehicles on the efficient use of spacefrom. In this regard,space in a vehicle is valuable, and development efforts thatrepresent an efficient use of space in the vehicle,favorthe usability of the vehicle clearly. This leads to aIntegration of the humidification system or gas conditioning systemin each of the intended fuel cells.
    [0009] Demgemäß besteht Bedarf nach einem Brennstoffzellenenergiesystem,das eine vollständigeBefeuchtung der Zufuhrgase (insbesondere des Oxidationsmittels),eine Filtrierung von Partikeln in den Zufuhrgasen mit hoher Abfangratewie auch eine thermische Konditionierung von Zufuhrgasen in Einklangmit der vollständigenBefeuchtung derart umfasst, dass für die Befeuchtungs-, Kühl- undFiltrierungsvorgängeein Minimum an Raum benötigtwird.Accordingly, there is a need for a fuel cell energy system that is complete humidification of the feed gases (particularly the oxidant), filtering of particles in the feed gases with a high capture rate, as well as thermal conditioning of feed gases in accordance with the complete humidification in such a way that a minimum space for the humidification, cooling and filtration processes is needed.
    [0010] Ein Aspekt der vorliegenden Erfindungsieht ein Brennstoffzellenenergiesystem mit einer gestapelten Serievon Brennstoffzellen und mit einem einteiligen Verdampfungselementvor, um Wasser aus einem zweiphasigen Zufuhrgasstrom bestehend aus Zufuhrgasund zerstäubtembzw. vernebeltem Wasser in den Zufuhrgasstrom zu verdampfen. DasVerdampfungselement sieht ein Medium für eine Massenübertragungvon zerstäubtemWasser vor, um den Zufuhrgasstrom vollständig zu befeuchten. Zusätzlich dazuund insbesondere bei Befeuchtung mit Wasser sieht das Verdampfungselementeine Filtrierung fester Partikel aus dem Zu fuhrgasstrom vor. Fernersieht das Verdampfungselement eine Temperaturkonditionierungsfunktionzur Steuerung der Einlasstemperatur des Zufuhrgasstromes vor. Beieiner bevorzugten Ausführungsformsieht die Erfindung auch ein entfernbares Verdampfungselement inder Form einer Packung oder eines Filtermediums und zur Verwendungeiner Steuerung vor, um die Rate an zerstäubtem Wasser, die dem Zufuhrgasstromzugesetzt wird, zu regulieren.One aspect of the present inventionsees a fuel cell energy system with a stacked seriesof fuel cells and with a one-piece evaporation elementbefore to water from a two-phase feed gas stream consisting of feed gasand atomizedor vaporize water into the feed gas stream. TheEvaporation element sees a medium for mass transferof atomizedWater to fully humidify the feed gas stream. Additionallyand especially when moistened with water the evaporation element seesfiltering solid particles from the feed gas stream. Furtherthe evaporation element sees a temperature conditioning functionto control the inlet temperature of the feed gas flow. ata preferred embodimentthe invention also sees a removable evaporation element inin the form of a package or a filter medium and for usea controller to control the rate of atomized water that is added to the feed gas streamis added to regulate.
    [0011] Ein anderer Aspekt der vorliegendenErfindung sieht ein Brennstoffzellenenergiesystem mit einer gestapeltenSerie von Brennstoffzellen und mit einem einteiligen Wärmetauscherelementvor, um den in die einzelnen Brennstoffzellen eintretenden Zufuhrgasstromthermisch zu kanditionieren. Das Wärmetauscherelement sieht einWärmeübertragungsmittelvor, um Wärmevon dem Zufuhrgasstrom zu entziehen oder diesem Wärme zuzusetzen.Derartige thermische Zuständekönnenauf dem vorliegenden Betriebszustand wie auch den gewünschten Betriebsbedingungendes Brennstoffzellenenergiesystems basieren.Another aspect of the presentThe invention provides a fuel cell energy system with a stacked oneSeries of fuel cells and with a one-piece heat exchanger elementto the feed gas stream entering the individual fuel cellsto heat thermally. The heat exchanger element sees oneHeat transfer mediumbefore to heatwithdraw from the feed gas stream or add heat to it.Such thermal conditionscanon the current operating state as well as the desired operating conditionsof the fuel cell energy system are based.
    [0012] Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindungsieht ein Brennstoffzellenenergiesystem mit einer gestapelten Serievon Brennstoffzellen und mit einem einteiligen Wasserinjektionsmechanismus vor,um in den Zufuhrgasstrom vor dem Eintritt in die einzelnen BrennstoffzellenWasser einzuführen.Der Wasserinjektionsmechanismus kann dazu verwendet werden, dierelative Feuchte des Zufuhrgasstroms zu erhöhen und wird bevorzugt in Verbindung miteinem Verdampfungselement verwendet. Der Wasserinjektionsmechanismuskann auch dazu verwendet werden, abhängig von der Temperaturdifferenzzwischen dem Wasser und dem Zufuhrgasstrom eine thermische Konditionierungdes Zufuhrgasstromes vorzusehen.Yet another aspect of the present inventionsees a fuel cell energy system with a stacked seriesof fuel cells and with a one-piece water injection mechanism,to in the feed gas stream before entering the individual fuel cellsIntroduce water.The water injection mechanism can be used toto increase the relative humidity of the feed gas stream and is preferred in conjunction withan evaporation element used. The water injection mechanismcan also be used depending on the temperature differencethermal conditioning between the water and the feed gas streamof the supply gas flow.
    [0013] Die Erfindung umfasst, obwohl siehier in Bezug auf einen Kathodenzufuhrstrom beschrieben worden ist,auch die Verwendung eines Verdampfungselementes, eines Wärmetauscherelementes und/odereines Wasserinjektionsmechanismus zur thermischen Konditionierung,Befeuchtung und Filterung der Brennstoffgaszufuhr zu der Brennstoffzelle.The invention, although comprisinghas been described here in relation to a cathode supply currentalso the use of an evaporation element, a heat exchanger element and / ora water injection mechanism for thermal conditioning,Humidification and filtering of the fuel gas supply to the fuel cell.
    [0014] Es existieren verschiedene, aus dervorliegenden Erfindung ableitbare Vorteile. Aufgrund der relativausgedehnten Oberflächedes Verdampfungselementes sorgt die Erfindung für einen hohen Filterwirkungsgradwie auch eine erweiterte Filternutzungsdauer. Zudem sieht die vorliegendeErfindung aufgrund der Integrierung eines Wärmetauschers, Filters und einesWasserinjektors in eine einzelne Einheit, die von den Brennstoffzellenstapelplatten getragenwird, eine Basis füreine Volumen-, Gewichts- und Kostenverringerung in einem Brennstoffzellensystemvor.There are several out of whichpresent invention derivable advantages. Because of the relativeextensive surfaceof the evaporation element, the invention ensures a high filter efficiencyas well as an extended filter service life. The present also seesInvention due to the integration of a heat exchanger, filter and oneWater injector into a single unit carried by the fuel cell stacking plateswill be a basis fora volume, weight and cost reduction in a fuel cell systemin front.
    [0015] Die Erfindung ist im Folgenden nurbeispielhaft anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahmeauf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben.The invention is only in the followingby way of example with reference to preferred embodimentsdescribed in more detail on the accompanying drawings.
    [0016] 1 zeigteine Übersicht über einBrennstoffzellenenergiesystem; 1 shows an overview of a fuel cell energy system;
    [0017] 2 zeigteine schematische Darstellung eines Anteils eines PEM-Brennstoffzellenstapelsin der Brennstoffzellenstapelanordnung des Brennstoffzellenenergiesystemsvon 1;2 shows a schematic representation of a portion of a PEM fuel cell stack in the fuel cell stack arrangement of the fuel cell energy system of FIG 1 ;
    [0018] 3 isteine Seitenschnittansicht, die Einzelheiten in einer integriertenAnordnung aus Zufuhrluftbefeuchter, Filter und Kühler für einen PEM-Brennstoffzellenstapelgemäß der vorliegenden Erfindungzeigt; 3 Fig. 3 is a side sectional view showing details in an integrated supply humidifier, filter and cooler assembly for a PEM fuel cell stack according to the present invention;
    [0019] 4 isteine Schnittansicht von oben des Brennstoffzellenstapels entlangLinie A-A in 3; und 4 FIG. 12 is a top sectional view of the fuel cell stack along line AA in FIG 3 ; and
    [0020] 5 isteine Stirnschnittansicht des Brennstoffzellenstapels entlang LinieB-B in 3. 5 12 is an end sectional view of the fuel cell stack along line BB in FIG 3 ,
    [0021] Die Erfindung wird unter Bezugnahmeauf ein allgemeines Brennstoffzellenenergiesystem besser verständlich.Daher wird vor einer weiteren Beschreibung der Erfindung ein allgemeiner Überblick über dasBrennstoffzellenenergiesystem gegeben, in dem die verbesserten Brennstoffzellender Erfindung arbeiten. In dem System wird ein Kohlenwasserstoff-Brennstoffin einem Brennstoffprozessor beispielsweise durch Reformierungs-und Partialoxidationsprozesse verarbeitet, um ein Reformatgas zuerzeugen, das einen relativ hohen Wasserstoffgehalt auf Volumen-oder Mol-Basis besitzt. Hierbei wird darauf verwiesen, dass derAusdruck "mit einemrelativ hohen Wasserstoffgehalt" hiermit dem Begriff "wasserstoffhaltig" umschrieben wird.Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit einer Brennstoffzellebeschrieben, die durch ein Ha-haltiges Reformat beliefert wird,ungeachtet des Verfahrens, mit dem dieses Reformat hergestellt wird.Es sei zu verstehen, dass die hier ausgeführten Prinzipien auf Brennstoffzellenanwendbar sind, die durch H2 beliefert werden,das von einer beliebigen geeigneten Quelle erhalten wird, einschließlich reformierbarer kohlenwasserstoff-und wasserstoffhaltiger Brennstoffe, wie zum Beispiel Methanol,Ethanol, Benzin, Alkali (alkaline) oder anderen aliphatische oderaromatische Kohlenwasserstoffe.The invention will be better understood with reference to a general fuel cell energy system. Therefore, before further describing the invention, a general overview of the fuel cell energy system in which the improved fuel cells of the invention operate is provided. In the system, a hydrocarbon fuel is processed in a fuel processor, for example through reforming and partial oxidation processes, to produce a reformate gas that has a relatively high volume or mole hydrogen content. In this connection, reference is made to the fact that the expression “with a relatively high hydrogen content” is described here with the term “containing hydrogen”. The invention is described below in connection with a fuel cell that is supplied by a Ha-containing reformate, regardless of the method by which this reformate is produced. It should be understood that the principles outlined here are applicable to fuel cells supplied by H 2 manufactured from any suitable source, including reformable hydrocarbon and hydrogen-containing fuels such as methanol, ethanol, gasoline, alkali (alkaline) or other aliphatic or aromatic hydrocarbons.
    [0022] Wie in 1 gezeigtist, umfasst ein Brennstoffzellenenergiesystem 100 einenBrennstoffprozessor 112, um einen reformierbaren Kohlenwasserstoff-Brennstoffstrom 114 undWasser in der Form von Wasserdampf von einem Wasserstrom 116 einer katalytischenReaktion zu unterziehen. Bei einigen Brennstoffprozessoren wirdbei einer aus Partialoxidation und Wasserdampfreformierung kombinierten Reaktionauch Luft verwendet. In diesem Fall nimmt der Brennstoffprozessor 112 aucheinen Luftstrom 118 auf. Der Brennstoffprozessor 112 kanneinen oder mehrere Reaktoren umfassen, in denen der reformierbareKohlenwasserstoff-Brennstoff in Strom 114 in Anwesenheitvon Wasserdampf in Strom 116 und Luft in Strom 118 (optionalSauerstoffspeichertank 118) einer Aufspaltung unterzogenwird, um das wasserstoffhaltige Reformat zu erzeugen, das von demBrennstoffprozessor 112 in dem Reformatstrom 120 ausgetragenwird. Der Brennstoffprozessor 112 umfasst typischerweiseauch einen oder mehrere Sekundärreaktoren,wie beispielsweise Wasser-Gas-Shift-Reaktoren (WGS-Reaktoren) und/oder Reaktorenfür selektivebzw. bevorzugte Oxidation (PROX-Reaktoren), die dazu verwendet werden,die Kohlenmonoxidmenge in dem Reformatzufuhrgasstrom 120 aufakzeptable Größen, beispielsweiseunter 20 ppm zu verringern. Das H2-haltigeReformat 120 wird durch die Anodenkammer des Brennstoffzellenstapelsystems 122 zugeführt. Gleichzeitigwird Sauerstoff in der Form von Luft in einem Gasstrom 124 für Oxidationsmittelzufuhrin die Kathodenkammer des Brennstoffzellenstapelsystems 122 zugeführt. DerWasserstoff von dem Reformatstrom 120 und der Sauerstoffvon dem Oxidati onsmittelstrom 124 reagieren in dem Brennstoffzellenstapelsystem 122,um Elektrizitätzu erzeugen.As in 1 shown includes a fuel cell energy system 100 a fuel processor 112 to a reformable hydrocarbon fuel stream 114 and water in the form of water vapor from a water stream 116 to undergo a catalytic reaction. Some fuel processors also use air in a combination of partial oxidation and steam reforming. In this case, the fuel processor takes 112 also an air flow 118 on. The fuel processor 112 may include one or more reactors in which the reformable hydrocarbon fuel is in power 114 in the presence of water vapor in electricity 116 and air in electricity 118 (optional oxygen storage tank 118 ) is subjected to splitting to produce the hydrogen-containing reformate generated by the fuel processor 112 in the reformate stream 120 is carried out. The fuel processor 112 typically also includes one or more secondary reactors, such as water gas shift reactors (WGS reactors) and / or selective or preferred oxidation reactors (PROX reactors), which are used to determine the amount of carbon monoxide in the reformate feed gas stream 120 to reduce to acceptable sizes, for example below 20 ppm. The reformate containing H 2 120 is through the anode chamber of the fuel cell stack system 122 fed. At the same time, oxygen is in the form of air in a gas stream 124 for supplying oxidant to the cathode chamber of the fuel cell stack system 122 fed. The hydrogen from the reformate stream 120 and the oxygen from the oxidant stream 124 react in the fuel cell stack system 122 to generate electricity.
    [0023] Ein Anodenaustrag (oder -abfluss) 126 von derAnodenseite des Brennstoffzellenstapelsystems 122 umfassteinen gewissen Teil nicht reagierten Wasserstoff. Ein Kathodenaustrag(oder -abfluss) 128 von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapelsystems 122 kanneinen gewissen Teil nicht reagierten Sauerstoff umfassen. Diesenicht reagierten Gase stellen zusätzliche Energie dar, die indem Brenner 130 in der Form von Wärmeenergie für verschiedeneWärmeanforderungeninnerhalb des Energiesystems 100 rückgewonnen wird.An anode discharge (or drain) 126 from the anode side of the fuel cell stack system 122 includes some unreacted hydrogen. A cathode discharge (or drain) 128 from the cathode side of the fuel cell stack system 122 may include some unreacted oxygen. These unreacted gases represent additional energy in the burner 130 in the form of thermal energy for various heat requirements within the energy system 100 is recovered.
    [0024] Genauer werden ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff 132 und/oder Anodenabfluss 126 katalytisch oder thermisch in demBrenner 130 mit Sauerstoff verbrannt, der an den Brenner 130 entwederaus Luft in Strom 134 oder aus Kathodenabflussstrom 128 abhängig vonden Betriebsbedingungen des Energiesystems 100 geliefertwerden. Der Brenner 130 stößt einen Austragsstrom 154 andie Umgebung aus, und die hierdurch erzeugte Wärme wird nach Bedarf an denBrennstoffprozessor 112 geführt.Become more precise a hydrocarbon fuel 132 and / or anode drain 126 catalytic or thermal in the burner 130 burned with oxygen to the burner 130 either from air to electricity 134 or from cathode drain stream 128 depending on the operating conditions of the energy system 100 to be delivered. The burner 130 pushes a discharge stream 154 to the environment, and the heat generated thereby is transferred to the fuel processor as needed 112 guided.
    [0025] In 2 istschematisch ein PEM-Brennstoffzellenstapel 200 mit zweiZellen eines Brennstoffzellenstapelsystems 122 mit einemPaar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 208 und 210 gezeigt,die voneinander durch eine nicht poröse, elektrisch leitfähige bipolarePlatte 212 getrennt sind. Jede der MEAs 208, 210 besitzteine Kathodenseite 208c, 210c und eine Anodenseite 208a, 210a.Die MEAs 208, 210 und die bipolare Platte 212 sindzwischen nicht porösen,elektrisch leitenden wie auch überFlüssigkeitgekühltenEndplatten 214 und 216 aneinander gestapelt. DiePlatten 212, 214, 216 umfassen jeweilsGasverteilerfelder oder Flow-Fields 218, 220, 222,die aus einer Vielzahl von Durchflusskanälen gebildet werden, die inden Flächender Platten zur Verteilung von Brennstoff- und 0xidationsmittelgasen (d.h. H2 & O2) an die reaktiven Flächen der MEAs 208, 210 ausgebildetsind. Nicht leitende Dichtungen oder Versiegelungen 226, 228, 230, 232 sehensowohl eine Abdichtung als auch eine elektrische Isolierung zwischenden verschiedenen Platten des Brennstoffzellenstapels 200 vor.In 2 is a schematic of a PEM fuel cell stack 200 with two cells of a fuel cell stack system 122 with a pair of membrane electrode assemblies (MEAs) 208 and 210 shown separated from each other by a non-porous, electrically conductive bipolar plate 212 are separated. Each of the MEAs 208 . 210 has a cathode side 208c . 210c and an anode side 208a . 210a , The MEAs 208 . 210 and the bipolar plate 212 are between non-porous, electrically conductive and liquid-cooled end plates 214 and 216 stacked together. The plates 212 . 214 . 216 each include gas distribution fields or flow fields 218 . 220 . 222 , which are formed from a plurality of flow channels that are in the surfaces of the plates for distributing fuel and oxidant gases (ie H 2 & O 2 ) to the reactive surfaces of the MEAs 208 . 210 are trained. Non-conductive seals or seals 226 . 228 . 230 . 232 see both a seal and an electrical insulation between the various plates of the fuel cell stack 200 in front.
    [0026] Poröse, gasdurchlässige wieauch elektrisch leitende Tafeln 234, 236, 238, 240 werdenan die Elektrodenflächender MEAs 208, 210 gepresst und dienen als Primärstromkollektorenfür diejeweiligen Elektroden. Die Primärstromkollektoren 234, 236, 238, 240 sehenauch eine mechanische Abstützung für die MEAs 208, 210 insbesonderean Stellen vor, an denen die MEAs in dem Gasverteilerfeld ansonstenungestütztsind. Die bipolare Platte 214 wird an den Primärstromkollektor 234 aufder Kathodenseite 208c der MEA 208 gepresst, diebipolare Platte 216 wird an den Primärstromkollektor 240 aufder Anodenseite 210a der MEA 210 gepresst unddie bipolare Platte 212 wird an den Primärstromkollektor 236 aufder Anodenseite 208a der MEA 208 und an den Primärstromkollektor 238 aufder Kathodenseite 210c der MEA 210 gepresst.Porous, gas-permeable as well as electrically conductive sheets 234 . 236 . 238 . 240 are attached to the electrode surfaces of the MEAs 208 . 210 pressed and serve as primary current collectors for the respective electrodes. The primary current collectors 234 . 236 . 238 . 240 also see a mechanical support for the MEAs 208 . 210 especially in places where the MEAs in the gas distribution field are otherwise unsupported. The bipolar plate 214 is connected to the primary current collector 234 on the cathode side 208c the MEA 208 pressed, the bipolar plate 216 is connected to the primary current collector 240 on the anode side 210a the MEA 210 pressed and the bipolar plate 212 is connected to the primary current collector 236 on the anode side 208a the MEA 208 and to the primary current collector 238 on the cathode side 210c the MEA 210 pressed.
    [0027] Ein Oxidationsmittelgas, wie beispielsweise Luft/Sauerstoffwird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 200 voneiner Luftquelle bzw. einem Luftspeichertank 118 und Leitungen 124 über einegeeignete Versorgungsverrohrung 242 geliefert. Bei einerbevorzugten Ausführungsformist der Sauerstofftank 118 weg gelassen worden, und dieLuft wird von der Umgebung an die Kathodenseite über eine Pumpe oder einen Kompressorgeliefert. Ein Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, wirdan die Anodenseite der Brennstoffzelle 200 von dem Speichertank 420 über einegeeignete Versorgungsverrohrung 244 geliefert. Bei einerbevorzugten Ausführungsformist der Wasserstofftank 420 weg gelassen worden, und derAnodenzufuhrstrom wird von einem Reformer (wie unter Bezugnahmeauf 1 beschrieben ist) über Leitung 120 nacheiner katalytischen Aufspaltung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoff-Brennstoff 114 geliefert.An oxidant gas, such as air / oxygen, is applied to the cathode side of the fuel cell stack 200 from an air source or an air storage tank 118 and lines 124 via suitable supply piping 242 delivered. In a preferred embodiment, the oxygen tank 118 and the air is supplied from the environment to the cathode side via a pump or a compressor. A fuel, such as hydrogen, is on the anode side of the fuel cell 200 from the storage tank 420 via suitable supply piping 244 delivered. In a preferred embodiment, the hydrogen tank 420 has been omitted and the anode feed current is supplied by a reformer (as referenced in FIG 1 is described) via line 120 after catalytic splitting of hydrogen from coal water serstoff fuel 114 delivered.
    [0028] Eine Austragsverrohrung (nicht gezeigt)für sowohldie H2 als auch O2/Luft-Seitender MEAs 208, 210 sind ebenfalls zur Entfernungvon Anodenabfluss von dem Anodengasverteilerfeld und dem Kathodenabflussvon dem Kathodengasverteilerfeld vorgesehen. Es ist auch eine Kühlmittelverrohrung 250, 252 zurLieferung und zum Austrag flüssigen Kühlmittelsan bzw. von den bipolaren Platten 214, 216 nachBedarf vorgesehen.Discharge tubing (not shown) for both the H 2 and O 2 / air sides of the MEAs 208 . 210 are also provided to remove anode drain from the anode gas manifold and cathode drain from the cathode gas manifold. It is also a coolant piping 250 . 252 for delivery and discharge of liquid coolant to or from the bipolar plates 214 . 216 provided as needed.
    [0029] Es sei angemerkt, dass der Brennstoffzellenstapel 200 zweiBrennstoffzellen zeigt, wobei sich diese die Platte 212 teilen.In der Praxis ist die Anzahl einzelner Zellen in einem Brennstoffzellenstapel durchdie jeweilige Anwendung bestimmt und kann viele einzelne Brennstoffzellenumfassen.It should be noted that the fuel cell stack 200 shows two fuel cells, these being the plate 212 divide. In practice, the number of individual cells in a fuel cell stack is determined by the respective application and can comprise many individual fuel cells.
    [0030] Wie in den 3 bis 5 gezeigtist, definiert eine Vielzahl von Platten 302, die den Platten 212 ähnlich sind,allgemein die Ränderder Gasverteilerkanäle,um einen Zufuhrgasstrom an Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 300 zuzuführen. Gemeinsamzeigen die 3 – 5 Einzelheiten einer ausZufuhrgasbefeuchter, Filter und Kühler integrierten Anordnungfür eineAusführungsformeines PEM-Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung.As in the 3 to 5 shown defines a plurality of plates 302 that the plates 212 are similar, generally the edges of the gas distribution channels around a supply gas flow to fuel cells in the fuel cell stack 300 supply. Together they show 3 - 5 Details of a feed gas humidifier, filter and cooler assembly for one embodiment of a PEM fuel cell stack according to the present invention.
    [0031] 3 zeigtauch einen Wärmetauscher 361 inder Form eines Röhren-und Rippen- Kühlerelementes,das einen Eingangskühlmitteldurchfluss 366 inRohr 363 aufnimmt und daran befestigt einzelne Wärmetauscherrippen 371 umfasst,die einen Fluidkreis definieren, der für eine Kühlung des von dem Verteiler 362 inden Brennstoffzellenstapel eintretenden Oxidationsmittelzufuhrgasessorgt. 4 zeigt auch,dass der Eingangskühlmitteldurchfluss 366 als Paralleldurchflussauftritt, wobei ein Serpentinenbein einen Kühlmittelaustragsdurchfluss 367 austrägt. Die Kühlmittelsammelleitung 380 istin 5 als eine Quellefür Kühlmittelgezeigt, um einzelne Durchflussanteile 366 von Kühlmittelleitungen 250, 252,die in Platten 214, 216 von 2 dargestellt sind, als Kühlmitteldurchflusszwischen den Zellen zu liefern. Der Kühlmitteldurchfluss 366 kannanstelle oder zusätzlichzu dem Zwischenzellenkühlmitteldurchfluss erfolgen.Währenddie Begriffe "Kühlung" und "Kühlmittel" hier verwendet werden, ist es für Fachleuteoffensichtlich, dass der Wärmetauscherauch eine Temperaturerhöhungin dem Zufuhrgasstrom abhängigvon der Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmitteldurchfluss und demZufuhrgasstrom bewirken kann. 3 also shows a heat exchanger 361 in the form of a tube and fin cooler element that has an input coolant flow 366 in tube 363 picks up and attaches individual heat exchanger fins 371 which define a fluid circuit which is used for cooling the of the manifold 362 provides oxidant supply gas entering the fuel cell stack. 4 also shows that the input coolant flow 366 occurs as a parallel flow, with a serpentine leg a coolant discharge flow 367 discharges. The coolant manifold 380 is in 5 shown as a source of coolant to individual flow rates 366 of coolant lines 250 . 252 that in plates 214 . 216 of 2 are shown to provide coolant flow between the cells. The coolant flow 366 can be in place of or in addition to the intercell coolant flow. While the terms "cooling" and "coolant" are used herein, it will be apparent to those skilled in the art that the heat exchanger can also cause a temperature increase in the feed gas stream depending on the temperature difference between the coolant flow and the feed gas stream.
    [0032] Das Verdampfungselement 364 istin den 3 – 5 gezeigt. Sprühdüsen 374a, 374b, 374c, 374d seheneine Strömungvon Wassertröpfchen (kollektivals zerstäubtesWasser) in dem Oxidationsmittelgasdurchfluss vor, um einen zweiphasigen Durchflussaus zerstäubtemWasser und Luft (Sauerstoff) in dem Verteiler 362 zu demVerdampfungsele ment 364 herzustellen. In seiner derzeitbevorzugten Form nimmt das Verdampfungselement die Form einer Entnebelungs-bzw. Abscheidungspackung an, die so bemessen und ausgebildet ist,um ein Medium zur Verdampfung des Wassers in zerstäubter Formin Feuchtigkeit fürden Oxidationsmittelgasstrom vorzusehen.The evaporation element 364 is in the 3 - 5 shown. spray nozzles 374a . 374b . 374c . 374d provide a flow of water droplets (collectively as atomized water) in the oxidant gas flow to a two-phase flow of atomized water and air (oxygen) in the manifold 362 to the evaporation element 364 manufacture. In its currently preferred form, the evaporation element takes the form of a defogger pack sized and configured to provide a medium for evaporating the water in atomized form in moisture for the oxidant gas stream.
    [0033] Ein Differenzdruckwandler 381,der schematisch gezeigt ist, überwachtden Druckabfall überdas Verdampfungselement füreinen Einlass fürBrennstoffzellenoxidationsmittel. In der Praxis kann eine Mehrzahlderartiger Wandler 381 verwendet werden, um ein repräsentatives Profil des Druckabfalls über denvollständigenBetriebsbereich des Verdampfungselementes 364 festzulegen.Ein Messsignal von dem Differenzdruckwandler 381 wird andie Steuerschaltung 384 geliefert. Der Durchflusswandler 382 istoptional auch mit einer Steuerschaltung 384 versehen, umdas in den Brennstoffzellenstapel 300 einzuspritzende Wasseranzugeben. Die Steuerschaltung 384 stellt den Durchflussdes Wasserstroms 372 übereine Einstellung des Steuerventils 383 in Reaktion aufMessungen von dem Wandler 381 und 382 ein. Beieiner Ausführungsformarbeitet das Ventil 383 auf eine ähnliche Art und Weise wie einKraftstoffeinspritzventil (das normalerweise in einem Verbrennungsmotorverwendet wird) mit einer Betriebsfrequenz und resultierenden diskontinuierlichenSpülvorgängen vonSprühdüsen 374a, 374b, 374c, 374d, diedurch Bedingungen, die durch Wandler 381, 382 gemessenwerden, in Echtzeit oder nahezu Echtzeit festgelegt sind. Bei eineranderen Ausführungsform besitztdie Steuerschaltung 384 Eingangsmessungen von der Temperatur(nicht gezeigt) des Oxidationsmittelgases als einen Eingang in dieSteuerentscheidungslogik, die durch den Computer 384 ausgeführt wird.An den Ränderndes Filters 364 können Drainageleitungen(nicht gezeigt) verwendet werden, um eine Überflutungssteuerung zu unterstützen.A differential pressure converter 381 , which is shown schematically, monitors the pressure drop across the evaporator element for an inlet for fuel cell oxidants. In practice, a plurality of such transducers 381 be used to provide a representative profile of the pressure drop across the full operating range of the evaporation element 364 set. A measurement signal from the differential pressure converter 381 is going to the control circuit 384 delivered. The flow converter 382 is also optional with a control circuit 384 provided that in the fuel cell stack 300 specify water to be injected. The control circuit 384 represents the flow of water flow 372 via an adjustment of the control valve 383 in response to measurements from the transducer 381 and 382 on. In one embodiment, the valve operates 383 in a similar manner to a fuel injector (typically used in an internal combustion engine) with an operating frequency and resulting discontinuous purging of spray nozzles 374a . 374b . 374c . 374d by conditions by converters 381 . 382 be measured in real time or almost real time. In another embodiment, the control circuit has 384 Input measurements of the temperature (not shown) of the oxidant gas as an input to the control decision logic by the computer 384 is performed. On the edges of the filter 364 drainage lines (not shown) can be used to aid in flood control.
    [0034] Das gegenwärtig bevorzugte Verdampfungselement 364 istein Filter, der in der Lage ist, Partikel mit einem Durchmesservon etwa 10 μmund bevorzugt weniger als etwa 2 μmherauszufiltern, wobei die Wassertröpfchen des zerstäubten Wasserseinen Durchmesser zwischen etwa 30 bis 50 μm besitzen. Mögliche Filtermaterialienumfassen herkömmliche zurLuftfiltrierung verwendete Polyesterfasern/-gewebe oder andere geeignetefeuchtigkeitsbeständige Filterpapiere.Das Verdampfungselement 364 ist ein entfernbarer Filter,der durch einen Rahmen mit einem Trägergestell 369 ander Stelle gehalten wird, wie am besten in 5 zu sehen ist, um den mit Rahmen versehenenFilter aufnehmen, halten und (bei Entfernung) freigeben zu können. DieseAusführungsformsieht einen Filter und ein Verdampfungselement vor, die in dem Brennstoffzellenenergiesystemperiodisch auswechselbar sind. Eine derartige Auswechslung kanneine periodisch geplante Wartung zur Grundlage haben oder abwechselnderfolgen, wenn der Druckverlust überdas Filter unakzeptabel hoch wird.The currently preferred vaporization element 364 is a filter that is able to filter out particles with a diameter of approximately 10 μm and preferably less than approximately 2 μm, the water droplets of the atomized water having a diameter between approximately 30 and 50 μm. Possible filter materials include conventional polyester fibers / fabrics used for air filtration or other suitable moisture resistant filter papers. The evaporation element 364 is a removable filter that is supported by a frame with a support frame 369 held in place as best in 5 can be seen to be able to pick up, hold and release the frame-provided filter (when removed). This embodiment provides a filter and an evaporation element that are periodically replaceable in the fuel cell energy system. Such a replacement can be based on periodically scheduled maintenance or alternately when the pressure loss across the filter becomes unacceptably high.
    [0035] Durch Zerstäuben des Wassers, das in der Luftzu der Brennstoffzelle mitgeführtwird, wird Wasser dem Oxidationsmittelstrom bevorzugt zugesetzt. Zudiesem Zweck sind Düsen 374a, 374b, 374c, 374d inder Wasserversorgungsleitung 372 angeordnet, um das Wasserzu zerstäuben,sind jedoch um einen ausreichenden Abstand von dem Verdampfungselement 364 anden Oxidationsmitteleinlassenden der Brennstoffzellen beabstandetangeordnet, um den Bereich benachbart aller Brennstoffzellen in demBrennstoffzellenstapel mit Wasser zu versorgen.By atomizing the water in the Air is carried to the fuel cell, water is preferably added to the oxidant stream. For this purpose there are nozzles 374a . 374b . 374c . 374d in the water supply line 372 arranged to atomize the water, but are a sufficient distance from the evaporation element 364 spaced at the oxidant inlet ends of the fuel cells to supply water to the area adjacent to all of the fuel cells in the fuel cell stack.
    [0036] Bei einem anderen Aspekt wird Wasserin dem Verteiler 362 bezüglich entweder Position und/oderZeit in einer Vielzahl von Durchflussmengenzuwächsen von Wasser zerstäubt, sodass der Druckabfall von dem zerstäubten Wasser über das Verdampfungselement 364 ausreichendgesteuert wird, um den Betrieb des Brennstoffzellenenergiesystemszu sichern. Diesbezüglichbesitzen die Sprühdüsen 374 einenBasisdurchsatz zur Zerstäubungeines Wasserdurchflusses in einen Nebel. Dieser Basisdurchsatz entsprichteinem der Durchflussmengenzuwächsevon zerstäubtemWasser in der Vielzahl von Durchflussmengenzuwächsen von zerstäubtem Wasser.Die Steuerschaltung 384 stellt die Durchflussmengenzuwächsen vonzerstäubtem Wasserein, um eine Druckabfallsteuerung über das Verdampfungselement 364 aufrechtzu erhalten, entweder durch eine analoge Steuerung des Durchflusseszu der Düse 374.oder durch eine Pulsbreitenmodulationssteuerung (auf eine Art undWeise ähnlich derKraftstoffeinspritzströmungin einem Verbrennungsmotor und insbesondere, wenn der Durchfluss unterdenjenigen verringert werden muss, der erforderlich ist, um voneiner Sprühdüse zerstäubt werden zukönnen).Bei einer alternativen Ausführungsform wirddas zerstäubteWasser durch ein System geliefert, das nicht von dem Durchsatz oderder Durchflussrate abhängt(wie beispielsweise einem Ultraschallvernebler oder einem thermischenVerdampfer) oder das durch den Wasserpumpenkopfdruck gesteuert wird.In another aspect there is water in the manifold 362 atomized with respect to either position and / or time in a variety of flow rate increases of water, such that the pressure drop from the atomized water via the evaporation element 364 is controlled sufficiently to ensure the operation of the fuel cell energy system. In this regard, the spray nozzles have 374 a basic throughput for atomizing a water flow into a fog. This base throughput corresponds to one of the atomized water flow rate increases in the plurality of atomized water flow rate increases. The control circuit 384 adjusts the flow rate increases of atomized water to control pressure drop across the evaporation element 364 to maintain, either by analog control of the flow to the nozzle 374 , or by pulse width modulation control (in a manner similar to the fuel injection flow in an internal combustion engine and especially when the flow needs to be reduced below that required to be atomized by a spray nozzle). In an alternative embodiment, the atomized water is supplied by a system that is not dependent on throughput or flow rate (such as an ultrasonic nebulizer or thermal evaporator) or that is controlled by the water pump head pressure.
    [0037] Der hier verwendete Begriff "Wasser" bezeichnet Wasser,das in natürlicherBeschaffenheit zum Betrieb eines Brennstoffzellenenergiesystems verwendbarist. Währendbestimmte Partikel in dem Wasser akzeptabel sind, beschleunigendiese zusätzlichzu einer durch Partikel in dem Oxidationsmittelgas bewirkten Verstopfungeine Verstopfung des Verdampfungselementes 364. Bei einerBrennstoffzelle könnteeine derartige Verstopfung durch Spurenmengen mineralischer Niederschläge von demim Wesentlichen mitführtenzerstäubtenoder partikulärenWasser bewirkt werden. Bevorzugt wird zur Verlängerung der Nutzungsdauer desVerdampfungselementes 364 zwischen Wechseln eine ausreichende Vorfilterungder Luft und des Wassers vorgeschlagen.The term “water” used here denotes water which can be used in a natural state for operating a fuel cell energy system. While certain particles in the water are acceptable, in addition to clogging caused by particles in the oxidant gas, they accelerate clogging of the evaporation element 364 , In the case of a fuel cell, such a blockage could be caused by trace amounts of mineral precipitation from the atomized or particulate water which is essentially carried along. Preference is given to extending the useful life of the evaporation element 364 between changes, adequate pre-filtering of the air and water is proposed.
    [0038] Um einen feinen Wassernebel herzustellen, kanneine Anzahl von Düsenkonstruktionenverwendet werden, wobei eine Zerstäuberdüse bei dem Brennstoffzellenenergiesystembevorzugt ist, um einen Nebel zur Verfügung zu stellen, der durcheinen mittleren Volumendurchmesser zwischen etwa 30 μm und etwa50 μm undeine Durchflussrate von etwa 1,9 Liter pro Sekunde (0,5 Gallonenpro Sekunde) bei einem Druckabfall von etwa 10 bar und eine Temperaturin dem Bereich von 5 bis 60°Cgekennzeichnet ist. Jedoch ist es für Fachleute offensichtlich,dass die Konstruktion wie auch die Betriebsparameter der Düse von denSystembedingungen abhängigsind, wie beispielsweise Leistung, Temperatur und Druck, und somitfür einegegebene Anwendung variieren können.To create a fine water mist, you cana number of nozzle designsare used, with an atomizer nozzle in the fuel cell energy systemis preferred to provide a mist that passes throughan average volume diameter between about 30 microns and about50 μm anda flow rate of approximately 1.9 liters per second (0.5 gallonsper second) at a pressure drop of about 10 bar and a temperaturein the range of 5 to 60 ° Cis marked. However, it is obvious to professionalsthat the design as well as the operating parameters of the nozzle depend on theSystem conditions dependentare, such as power, temperature and pressure, and thusfor onegiven application may vary.
    [0039] Sei einer alternativen Ausführungsformist jede einzelne Sprühdüse 374 separatmit einem Ventil versehen und entsprechend gesteuert, um eine maximaleAnzahl von steuerbaren Durchflussmengenzuwächsen von Wasser vorzusehen,wobei jeder Zuwachs der im Wesentlichen voraussagbare und konstanteDurchfluss ist, bei dem jede Sprühdüse ihr funktionellpassendes Sprühmusterbei dem verfügbarenDruckabfall liefert. Bei einer anderen Ausführungsform wird eine Gruppevon Sprühdüsen 374 an derWasserversorgungsleitung 372 gesteuert. Bei einer nochweiteren Ausführungsformkann eine Gruppe von Sprühdüsen mitanderen Sprühdüsen vermischtsein, die einzeln gesteuert sind. Zu dem Obigen sei angemerkt, dasseine Anzahl verschiedener Anordnungen von Düsen, Lieferleitungen wie auch Ventilausstattungendie Bereitstellung einer Durchflussmenge von zerstäubtem Wasserin einer Vielzahl von Durchflusszuwächsen von zerstäubter Wassermengeerzielen kann.An alternative embodiment is each individual spray nozzle 374 separately valved and appropriately controlled to provide a maximum number of controllable flow increases in water, each increase being the substantially predictable and constant flow at which each spray nozzle provides its functionally appropriate spray pattern with the available pressure drop. In another embodiment, a group of spray nozzles 374 on the water supply line 372 controlled. In yet another embodiment, a group of spray nozzles can be mixed with other spray nozzles that are individually controlled. Regarding the above, it should be noted that a number of different arrangements of nozzles, delivery lines as well as valve equipment can achieve the provision of a flow rate of atomized water in a variety of flow increases of atomized water amount.
    [0040] In einigen Fällen können die Sprühdüsen 374 auchunterschiedliche Größen besitzen,um entweder vordefinierte Sprühkonzentrationsprofilezu ermöglichenoder einen Durchgang wie auch ein Spülen von Partikeln aus einemWasserrohr 372 zu erleichtern und damit ein Verstopfeneiner Wasserdüse 374 desSprühgestellszu vermeiden. Diesbezüglich passendie inneren Zwischenräumean Düsenmit größerem Durchsatzden Durchgang von Partikeln leichter an, als die inneren Zwischenräume vonDüsen mitkleinerem Durchsatz.In some cases, the spray nozzles 374 also have different sizes to either allow predefined spray concentration profiles or a passage as well as flushing of particles from a water pipe 372 to ease and thus clogging a water nozzle 374 to avoid the spray rack. In this regard, the inner spaces of nozzles with higher throughput adapt the passage of particles more easily than the inner spaces of nozzles with smaller throughput.
    [0041] Die vorliegende Erfindung ist obenin Verbindung mit einer Konditionierung eines Kathodenzufuhrgasstromesbeschrieben worden. Bei einer anderen Ausführungsform kann die vorliegendeErfindung dazu verwendet werden, den Anodenzufuhrgasstrom zu konditionieren.Im Zusammenhang mit der Konstruktion hinsichtlich des Durchflussesund des Charakters des Brennstoffgases ist die Konstruktion des Brennstoffgaskühlers, -befeuchtersund -filters ähnlichdem, der in den 3 – 5 gezeigt ist.The present invention has been described above in connection with conditioning a cathode feed gas stream. In another embodiment, the present invention can be used to condition the anode feed gas stream. In connection with the design of the flow and character of the fuel gas, the design of the fuel gas cooler, humidifier and filter is similar to that shown in FIGS 3 - 5 is shown.
    [0042] Aus dem Vorhergehenden wird offensichtlich,dass die Integration von Filtrierungs-, Mengenübertragungs- und Wärmeübertragungsvorgängen bei denbevorzugten Ausführungsformensowohl aus einer Verwendung von Filtrierungs-, Mengenübertragungs-und Wärmeübertragungskomponenten,um einen Vorteil der durch die Stapelkomponenten angebotenen Stützstrukturzu nutzen, als auch von einer Vereinheitlichung dieser Elementeund der dadurch bevorzugten Funktionen in einen gemeinsamen Raumin dem Brennstoffzellenstapel erreicht wird. Diese Integration vonVerdampfungskühler,Filter, Befeuchter, Wärmetauscherwie auch einer existierenden Stapelstruktur sieht eine Basis für eine Volumen-,Gewichts- und Kostenverringerung in einem Brennstoffzellenenergiesystemvor.From the foregoing, it is apparent that the integration of filtration, bulk transfer, and heat transfer operations in the preferred embodiments result from both the use of filtration, bulk transfer Supply and heat transfer components to take advantage of the support structure offered by the stack components, as well as by standardizing these elements and the functions preferred thereby in a common space in the fuel cell stack. This integration of evaporative cooler, filter, humidifier, heat exchanger as well as an existing stack structure provides a basis for a volume, weight and cost reduction in a fuel cell energy system.
    [0043] Die Erfindung ist hier anhand bevorzugter Ausführungsformenbeschrieben worden, und für Fachleuteist es offensichtlich, dass verschiedene Aspekte der bevorzugtenAusführungsformweggelassen oder mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformenausgetauscht werden können,ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Demgemäß ist dieErfindung nur durch die nachfolgend angegebenen Ansprüche begrenzt.The invention is based on preferred embodimentsand for professionalsit is obvious that various aspects of the preferredembodimentomitted or with other embodiments described herecan be exchangedwithout departing from the scope of the invention. Accordingly, theInvention limited only by the claims set out below.
    [0044] Zusammengefasst ist ein System zurthermischen Konditionierung, Befeuchtung und Filterung von an einenStapel von Brennstoffzellen zu liefernden Reaktandenzufuhrgasenbeschrieben, das ein Verdampfungselement, einen Wassersprühmechanismusund einen Wärmetauscherverwendet. Das Verdampfungselement funktioniert auch als ein Filter. DasVerdampfungselement kann die Form einer auswechselbaren Packung(Filtermedium) annehmen. Die Verwendung einer Steuerung, um dieRate von zerstäubtemWasser zusätzlichzu dem Zufuhrgasstrom zu verwalten, ist ebenfalls beschrieben. Es werdenVorteile hinsichtlich des Filterwirkungsgrads wie auch einer erweitertenFilternutzungsdauer zu sammen mit einer Volumen-, Gewichts- und Kostenverringerungin einem Brennstoffzellensystem erzielt.In summary, a system forthermal conditioning, humidification and filtering from oneStack of reactant feed gases to be supplieddescribed that an evaporation element, a water spray mechanismand a heat exchangerused. The evaporation element also works as a filter. TheEvaporation element can take the form of a replaceable packAccept (filter medium). The use of a controller to control theRate of atomizedAdditional waterto manage the feed gas flow is also described. It willAdvantages in terms of filter efficiency as well as an extended oneFilter service life together with a volume, weight and cost reductionachieved in a fuel cell system.
    权利要求:
    Claims (34)
    [1]
    Brennstoffzellenstapel mit: einem Gehäuse; einergestapelten Serie von Brennstoffzellen, die in dem Gehäuse angeordnetsind, wobei jede Zelle ein Einlassende zur Aufnahme eines Reaktandengases umfasst; einemVerteiler, der in dem Gehäuseangeordnet ist und einen Zufuhrstrom von einer Quelle an jedes der Einlassendender Brennstoffzelle zuführt; einemWassersprühmechanismus,der in dem Verteiler angeordnet ist und zerstäubtes Wasser in dem Zufuhrstromerzeugt, und einem Verdampfungselement, das zwischen dem Verteilerund den Einlassenden der Brennstoffzelle angeordnet ist, um daszerstäubteWasser in den Zufuhrstrom zu verdampfen.Fuel cell stack with:a housing;onestacked series of fuel cells arranged in the housingeach cell having an inlet end for receiving a reactant gas;oneDistributor that is in the housingand a supply stream from a source to each of the inlet endssupplies the fuel cell;oneWassersprühmechanismus,which is arranged in the distributor and atomized water in the feed streamgenerated, andan evaporation element located between the manifoldand the inlet ends of the fuel cell is arranged around theatomizedEvaporate water in the feed stream.
    [2]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei dasVerdampfungselement ferner ein Filtermedium umfasst.Fuel cell stack according to claim 1, wherein theEvaporation element further comprises a filter medium.
    [3]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 2, wobei dasFiltermedium ein auswechselbares Filtermedium ist.The fuel cell stack according to claim 2, wherein theFilter medium is an exchangeable filter medium.
    [4]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 2, wobei dasFiltermedium Partikel ausfiltert, deren Größe größer als etwa 2 μm ist.The fuel cell stack according to claim 2, wherein theFilter medium filters out particles whose size is larger than about 2 μm.
    [5]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei daszerstäubteWasser Wassertröpfchenmit einem Durchmesser zwischen etwa 30 μm und etwa 50 μm umfasst.Fuel cell stack according to claim 1, wherein theatomizedWater droplets of waterwith a diameter between about 30 microns and about 50 microns.
    [6]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, ferner miteinem Druckwandler, der zur Messung eines Druckunterschieds über dasVerdampfungselement dient.The fuel cell stack of claim 1, further comprisinga pressure transducer, which is used to measure a pressure difference across theEvaporation element is used.
    [7]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 6, ferner miteiner Steuerschaltung zur Steuerung einer Durchflussrate des zerstäubten Wassersin Reaktion auf ein Messsignal von dem Druckwandler.The fuel cell stack of claim 6, further comprisinga control circuit for controlling a flow rate of the atomized waterin response to a measurement signal from the pressure transducer.
    [8]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, ferner miteinem Druckwandler zur Messung eines Druckunterschieds über denWassersprühmechanismus.The fuel cell stack of claim 1, further comprisinga pressure transducer for measuring a pressure difference across theWassersprühmechanismus.
    [9]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 8, ferner miteiner Steuerschaltung zur Steuerung einer Durchflussrate des zerstäubten Wassersin Reaktion auf ein Messsignal von dem Druckwandler.The fuel cell stack according to claim 8, further comprisinga control circuit for controlling a flow rate of the atomized waterin response to a measurement signal from the pressure transducer.
    [10]
    Brennstoffzellenstapel mit: einem Gehäuse; einergestapelten Serie von Brennstoffzellen, die in dem Gehäuse angeordnetsind, wobei jede Zelle ein Einlassende zur Aufnahme eines Reaktandengases besitzt; einemVerteiler, der in dem Gehäuseangeordnet ist und einen Zufuhrgasstrom von einer Quelle an jedes derEinlassenden der Brennstoffzelle zuführt; einem Wärmetauscherelement,das in dem Verteiler angeordnet ist, um den Zufuhrgasstrom thermischzu konditionieren; und einem Filterelement, das in dem Verteilterund den Einlassenden der Brennstoffzelle angeordnet ist, um denZufuhrgasstrom zu filtern.Fuel cell stack with:a housing;onestacked series of fuel cells arranged in the housingeach cell has an inlet end for receiving a reactant gas;oneDistributor that is in the housingis arranged and a feed gas stream from a source to each of theFeed inlet ends of the fuel cell;a heat exchanger element,which is arranged in the manifold to thermally supply gas flowto condition; anda filter element that is in the distributorand the inlet ends of the fuel cell is arranged around theFilter feed gas flow.
    [11]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, wobei dasWärmetauscherelementeinen Fluidkreis umfasst, bei dem ein Fluid durch diesen hindurchzirkuliert und der Zufuhrgasstrom über einen Anteil des Fluidkreislaufsin Wärmeleitbeziehungdamit zirkuliert.The fuel cell stack according to claim 10, wherein theHeat exchanger elementcomprises a fluid circuit in which a fluid passes through itcirculates and the feed gas flow through a portion of the fluid circuitin thermal conductioncirculated with it.
    [12]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 11, wobei dasWärmetauscherelementferner einen Röhren-und Rippenkühlermit einem Rohr und einer Vielzahl sich von dem Rohr erstreckenderRippen umfasst.The fuel cell stack of claim 11, wherein the heat exchanger element further comprises a tube and fin cooler having a tube and a plurality of fins extending from the tube summarizes.
    [13]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, wobei dasFilterelement einen Partikelfilter umfasst.The fuel cell stack according to claim 10, wherein theFilter element comprises a particle filter.
    [14]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, wobei dasFilterelement ein auswechselbares Filtermedium ist.The fuel cell stack according to claim 10, wherein theFilter element is a replaceable filter medium.
    [15]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, wobei dasFilterelement Partikel ausfiltert, die größer als etwa 2 μm sind.The fuel cell stack according to claim 10, wherein theFilter element filters out particles that are larger than about 2 μm.
    [16]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, wobei dasFilterelement zwischen dem Wärmetauscherelementund den Einlassenden der Brennstoffzelle angeordnet ist, um denZufuhrgasstrom zu filtern.The fuel cell stack according to claim 10, wherein theFilter element between the heat exchanger elementand the inlet ends of the fuel cell is arranged around theFilter feed gas flow.
    [17]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, fernermit einem Wassersprühmechanismus,der in dem Verteiler angeordnet ist und zerstäubtes Wasser in dem Zufuhrstromerzeugt.The fuel cell stack of claim 10, furtherwith a water spray mechanism,which is arranged in the distributor and atomized water in the feed streamgenerated.
    [18]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 17, wobei daszerstäubteWasser Wassertröpfchenmit einem Durchmesser zwischen etwa 30 μm und etwa 50 μm umfasst.18. The fuel cell stack of claim 17, wherein theatomizedWater droplets of waterwith a diameter between about 30 microns and about 50 microns.
    [19]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 17, wobei dasFilterelement zwischen dem Wassersprühmechanismus und den Einlassendender Brennstoffzelle angeordnet ist, so dass bei einer Verdampfungdas zerstäubteWasser in den Zufuhrstrom verdampft wird.18. The fuel cell stack of claim 17, wherein theFilter element between the water spray mechanism and the inlet endsthe fuel cell is arranged so that during evaporationthe atomizedWater is evaporated into the feed stream.
    [20]
    Brennstoffzellenstapel mit: einem Gehäuse, daseinen Stapel aus Brennstoffzellen umschließt, wobei jede Brennstoffzelleeine Membranelektrodenanordnung umfasst, die eine Kathodenseitein Fluidverbindung mit einem Verteilerfeld für Oxidationsmittelgas und eineAnodenseite in Fluidverbindung mit einem Verteilerfeld für Brennstoffgasumfasst; einem Verdampfungselement, das in dem Gehäuse angeordnetist und ein Reaktandengas von einer Reaktandengasquelle an einesder Verteilerfelder für Oxidationsmittelgasund Brennstoffgas fördert;und einem Wassersprühmechanismus,der in dem Gehäuseangeordnet ist und einen Durchfluss aus Wasserpartikeln an das Verdampfungselementvorsieht.Fuel cell stack with:a housing thatencloses a stack of fuel cells, each fuel cellcomprises a membrane electrode assembly having a cathode sidein fluid communication with a distribution field for oxidant gas and aAnode side in fluid communication with a fuel gas distribution panelincludes;an evaporation element arranged in the housingand is a reactant gas from a reactant gas source to onethe distribution fields for oxidant gasand promotes fuel gas;anda water spray mechanism,the one in the housingis arranged and a flow of water particles to the evaporation elementprovides.
    [21]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 20, wobei dasVerdampfungselement eine Filterpackung ist.21. The fuel cell stack of claim 20, whereinEvaporation element is a filter pack.
    [22]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 21, wobei dieFilterpackung in einem Rahmen vorgesehen ist und der Brennstoffzellenstapelferner ein Stützgestellumfasst, das den Rahmen abnehmbar befestigt, so dass die Filterpackungin dem Brennstoffzellenstapel selektiv ausgewechselt werden kann.22. The fuel cell stack of claim 21, wherein theFilter pack is provided in a frame and the fuel cell stackalso a support framethat removably attaches the frame so that the filter packcan be selectively replaced in the fuel cell stack.
    [23]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 21, wobei dieFilterpackung Partikel ausfiltert, deren Größe größer als etwa 2 μm ist.22. The fuel cell stack of claim 21, wherein theFilter pack filters out particles whose size is larger than about 2 μm.
    [24]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 20, wobei derWassersprühmechanismuszumindest eine Sprühdüse umfasst.21. The fuel cell stack of claim 20, wherein theWassersprühmechanismuscomprises at least one spray nozzle.
    [25]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 24, wobei diezumindest eine Sprühdüse einenFluss von Wasserpartikeln liefert, deren Durchmesser zwischen etwa30 μm undetwa 50 μmliegt.25. The fuel cell stack of claim 24, wherein theat least one spray nozzle oneFlow of water particles supplies, whose diameter is between about30 μm andabout 50 μmlies.
    [26]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 20, fernermit einem Differenzdruckwandler zur Messung eines Druckabfalls über dasVerdampfungselement.21. The fuel cell stack of claim 20, furtherwith a differential pressure transducer for measuring a pressure drop across theEvaporation element.
    [27]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 26, fernermit einem Ventil, um eine Durchflussrate der Wasserpartikel in Reaktionauf ein Messsignal von dem Differenzdruckwandler zu steuern.The fuel cell stack of claim 26, furtherwith a valve to respond to a flow rate of water particlesto control a measurement signal from the differential pressure transducer.
    [28]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 27, fernermit einer Steuerschaltung, die das Messsignal aufnimmt und das Ventilsteuert.The fuel cell stack of claim 27, furtherwith a control circuit that receives the measurement signal and the valvecontrols.
    [29]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 28, wobei dieBrennstoffzellenplatten vertikal vorgesehen sind, wobei ein Einlassendeder Verteilerfelder fürOxidationsmittelgas an einem Ende des Stapels endet, und wobei dasVerdampfungselement horizontal überden Einlassenden benachbart des Verteilerfeldes für Oxidationsmittelgaspositioniert lst.29. The fuel cell stack of claim 28, wherein theFuel cell panels are provided vertically, with an inlet endthe distribution fields forOxidant gas ends at one end of the stack, and that beingEvaporation element horizontally overthe inlet ends adjacent to the oxidant gas distribution fieldpositioned.
    [30]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 29, fernermit einem Druckwandler zur Messung eines Druckabfalls über denWassersprühmechanismus.The fuel cell stack of claim 29, furtherwith a pressure transducer to measure a pressure drop across theWassersprühmechanismus.
    [31]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 30, fernermit einem Ventil, um eine Durchflussrate der Wasserpartikel in Reaktionauf ein Messsignal von dem Druckwandler zu steuern.The fuel cell stack of claim 30, furtherwith a valve to respond to a flow rate of water particlesto control a measurement signal from the pressure transducer.
    [32]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 31, fernermit einer Steuerschaltung, die das Messsignal aufnimmt und das Ventilsteuert.32. The fuel cell stack of claim 31, furtherwith a control circuit that receives the measurement signal and the valvecontrols.
    [33]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 32, fernermit einem Durchflusswandler zur Messung der Durchflussrate der Wasserpartikelund zur Lieferung eines Steuersignals an die Steuerschaltung.33. The fuel cell stack of claim 32, furtherwith a flow converter for measuring the flow rate of the water particlesand to supply a control signal to the control circuit.
    [34]
    Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 30, wobei dieBrennstoffzellenplatten vertikal vorgesehen sind, wobei ein Einlassendedes Verteilerfeldes fürBrennstoffgas an einem Ende des Stapels endet und wobei das Verdampfungselementhorizontal überden Einlassenden benachbart der Verteilerfelder für Brennstoffgaspositioniert ist.The fuel cell stack of claim 30, wherein the fuel cell plates are vertical, with an inlet end of the fuel gas manifold terminating at one end of the stack and wherein the evaporation element is positioned horizontally above the inlet ends adjacent to the fuel gas distribution fields.
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    同族专利:
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
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