WO1999016139A2 - Method and device for cooling fuel cells - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a device with a fuel cell and coolants and a cooling method for operating such a device.
  • a fuel cell has a cathode, an electrolyte and an anode.
  • the cathode becomes an oxidizing agent, e.g. B. air and the anode becomes a fuel, e.g. B. supplied hydrogen.
  • the cathode and anode of a fuel cell generally have a continuous porosity, so that the two operating resources, fuel and oxidizing agent, can be supplied to the electrolyte and the product water can be removed.
  • a membrane of a fuel cell must be moistened throughout in order to enable a high proton conductivity and thus a high power density. As it dries out, the proton conductivity decreases. If the membrane dries out, it shrinks at the same time. Permeability to permanent gases increases and mechanical stresses occur. Both contribute to a possible failure of the fuel cell.
  • Methanol is then z. B. reformed outside of the fuel cell in a suitable reactor - which will be called the reforming reactor below - and thus converted into a hydrogen-rich synthesis gas.
  • a suitable reactor - which will be called the reforming reactor below - and thus converted into a hydrogen-rich synthesis gas.
  • the hydrogen-rich synthesis gas is cleaned, e.g. is passed through a suitable membrane.
  • the hydrogen is separated from impurities.
  • the hydrogen Before entering the fuel cell, the hydrogen is cooled to the comparatively low operating temperature of the fuel cell. A fuel cell heats up the conversion of hydrogen and oxygen to water. Therefore, it must also be cooled.
  • a liquid or gaseous coolant flows in a fuel cell, it heats up increasingly. The warmer the coolant gets, the weaker its cooling performance. Cooling a fuel cell in the aforementioned manner accordingly leads to temperature gradients in the fuel cell. Temperature gradients within a fuel cell mean that it is not operated locally with the optimal operating temperature and consequently not with the optimal efficiency.
  • the object of the invention is to provide a method for cooling that enables more efficient operation of a fuel cell.
  • the object of the invention is also to provide an associated device.
  • the fuel cell is cooled by converting a liquid into a gas.
  • the heat to be removed is therefore fed to a liquid, which thereby converts it into a gas.
  • the boiling point of the liquid is below the operating temperature of the fuel cell.
  • the liquid absorbs excess heat from the fuel cell without heating up to temperatures above the operating temperature. This prevents overheating and the associated drying out of the membrane.
  • the fuel is initially converted to e.g. B. heated to about 300 ° C.
  • the heated fuel is then cooled by evaporating water.
  • a quench cooler can be provided by means of which an operating gas is cooled by vaporizing a liquid.
  • the oxidizing agent is first compressed and heated in the process. Compressing the oxidizing agent, usually air, creates increased pressures in the fuel cell on the cathode side. An increased pressure prevailing on the cathode side is desirable since this increases the efficiency of the fuel cell. Due to a higher cathode pressure, product water formed in the fuel cell is pushed back out of the cathode compartment into the membrane. The membrane is thus advantageously moistened. Increased pressure is also advantageous (often even necessary) for the separation of the water produced in the fuel cell by the cell reaction in order to be able to separate the amount of water required for the overall system.
  • the oxidizing agent heated in the course of the compression is subsequently cooled in a quench cooler by evaporation of water, it is at the same time advantageously moistened without having to accept large pressure drops. Drying out of the membrane is consequently further counteracted. The performance of a fuel cell is retained.
  • water produced in the fuel cell is fed to the quench cooler (s).
  • An external water supply can be saved accordingly.
  • Quench cooling means that a gas can be optimally humidified.
  • the heat required for evaporation is extracted from the supplied hot, dry gas. taken. This cools the gas and at the same time moistens it with the evaporated water. If the temperature of the humidified gas is lowered to such an extent that no additional water can be evaporated, the gas is optimally humidified.
  • the gas temperature of the humidified gas is then equal to a water temperature to which a water vapor pressure is assigned, which corresponds to the water vapor partial pressure of the humidified gas at this temperature.
  • An excess, small amount of water lowers the temperature of the gas mixture only slightly.
  • this form of humidification leads to a temperature that is close to the working temperature of the cell , or slightly below.
  • the air heated by the compression to approximately 100 ° C. is cooled to a temperature in the range of 50 ° C. with simultaneous humidification of relatively 100%.
  • the water generated on the cathode during the reaction can be absorbed while being heated by cell waste heat.
  • water in liquid form is only present directly on the membrane, ie in the area of the cathode reaction.
  • a transport The change in the porous catalyst layer is kept low.
  • the air ratio lambda is a stoichiometric number which represents a measure of the excess of oxidizing agent at the cathode . Lambda values greater than "1" have a positive effect on the expiration
  • Lamda values of 1.5 to 2.5 have been found to be advantageous for the operation of the device for the aforementioned reasons.
  • B humidifier / quench cooler
  • T (expansion) turbine
  • G blower / compressor
  • HE cooler / condensate separator.
  • FIG. 2 shows a quench cooler with a container A operated under increased pressure, into which hot, dry gas B flows.
  • water C is introduced into the container under increased pressure and sprayed with a nozzle. The resulting water droplets are small so that they can evaporate quickly.
  • the heat required for evaporation is taken from the hot, dry gas. This cools the gas and at the same time moistens it with the evaporated water. If the temperature of the outflowing, humidified and cooled gas is reduced to such an extent that no additional water can be evaporated, an optimal degree of humidification of the gas is achieved.
  • the humidified, cooled gas escapes through outlet D
  • the amount of water introduced into the quench cooler is adapted by a metering device to the requirements relating to the amount, temperature and pressure of the dry, hot gas to be cooled and humidified.
  • the quench cooler can contain agents that retain non-evaporated water. Excess water is removed passed and can be fed back into the quench cooler by means of a suitable pump after a pressure increase.

Abstract

The invention relates to a device with a fuel cell and cooling means in addition to a cooling method in order to operate such a device. The fuel cell is cooled by converting a liquid into a gas. The heat which is to be dissipated is therefore supplied to a liquid which is thus converted into a gas. The liquid is heated to a boiling temperature before entering the fuel cell. The boiling temperature is lower than the operating temperature of the fuel cell. As a result, a homogeneous temperature distribution in the fuel cell is achieved.

Description

B e s c h r e i b u n g Description
Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen bei BrennstoffzellenMethod and device for cooling in fuel cells
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Brennstoffzelle und Kühlmitteln sowie ein Kühlverfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung.The invention relates to a device with a fuel cell and coolants and a cooling method for operating such a device.
Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektro- lyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxida- tionsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff zugeführt. Kathode und Anode einer Brennstoffzelle weisen in der Regel eine durchgehende Porosität auf, damit die beiden Betriebsmittel Brennstoff und Oxidationsmittel dem Elektrolyten zugeführt und das Produktwasser abgeführt werden können.A fuel cell has a cathode, an electrolyte and an anode. The cathode becomes an oxidizing agent, e.g. B. air and the anode becomes a fuel, e.g. B. supplied hydrogen. The cathode and anode of a fuel cell generally have a continuous porosity, so that the two operating resources, fuel and oxidizing agent, can be supplied to the electrolyte and the product water can be removed.
Es gibt Brennstoffzellen, bei denen protonenleitende Membranen als Elektrolyt eingesetzt und die bei Temperaturen von 80 °C betrieben werden. An der Anode einer solchen Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Brennstoffs mittels eines Katalysators Protonen. Die Protonen passieren den Elektrolyten und verbinden sich auf der Kathodenseite mit dem vom Oxidationsmittel stammenden Sauerstoff zu Wasser. Elektronen werden da- bei freigesetzt und elektrische Energie erzeugt.There are fuel cells in which proton-conducting membranes are used as electrolytes and which are operated at temperatures of 80 ° C. Protons are formed on the anode of such a fuel cell in the presence of the fuel by means of a catalyst. The protons pass through the electrolyte and combine on the cathode side with the oxygen from the oxidizing agent to form water. Electrons are released and electrical energy is generated.
Eine Membran einer Brennstoffzelle muß durchgängig befeuchtet sein, um eine hohe Protonenleitfähigkeit und damit eine hohe Leistungsdichte zu ermöglichen. Mit fortschreitendem Austrocknen sinkt die Protonenleit- fähigkeit. Trocknet die Membran aus, so schrumpft sie zugleich. Die Permeabilität für Permanentgase nimmt zu, und es treten mechanische Spannungen auf. Beides tragt zu einem möglichen Versagen der Brennstoffzelle bei.A membrane of a fuel cell must be moistened throughout in order to enable a high proton conductivity and thus a high power density. As it dries out, the proton conductivity decreases. If the membrane dries out, it shrinks at the same time. Permeability to permanent gases increases and mechanical stresses occur. Both contribute to a possible failure of the fuel cell.
Es ist bekannt, zur Vermeidung einer Austrocknung Was- serstoff zunächst durch Wasser perlen zu lassen und anschließend der Brennstoffzelle zuzuführen. Nachteilhaft treten dabei Druckverluste und folglich Leistungsverluste auf. Ferner erfordert die Durchfuhrung des Verfahrens einen hohen apparativen Aufwand. Es ist bekannt, Methanol als Brennstoff einzusetzen.To avoid drying out, it is known first to let hydrogen bubble through water and then to feed it to the fuel cell. Pressure losses and consequent power losses occur disadvantageously. Furthermore, the implementation of the method requires a lot of equipment. It is known to use methanol as a fuel.
Methanol wird dann z. B. außerhalb der Brennstoffzelle in einem geeigneten Reaktor - der im folgenden Refor- mierungsreaktor genannt wird - reformiert und so in ein Wasserstoffreiches Synthesegas überfuhrt. Um die Refor- mierung mit einem optimalen Wirkungsgrad durchzufuhren, wird eine solche externe Reformierung bei erhöhten Temperaturen von ca. 300°C durchgeführt. Im Anschluß an die externe Reformierung wird das Wasserstoffreiche Synthesegas gereinigt, indem es z.B. durch eine geeig- nete Membran geleitet wird. Dabei wird der Wasserstoff von Verunreinigungen getrennt. Vor Eintritt in die Brennstoffzelle wird der Wasserstoff auf die vergleichsweise niedrige Betriebstemperatur der Brennstoffzelle gekühlt. Die Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser heizt eine Brennstoffzelle auf. Daher muß diese gleichfalls gekühlt werden.Methanol is then z. B. reformed outside of the fuel cell in a suitable reactor - which will be called the reforming reactor below - and thus converted into a hydrogen-rich synthesis gas. In order to carry out the reforming with optimum efficiency, such an external reforming is carried out at elevated temperatures of approx. 300 ° C. Following the external reforming, the hydrogen-rich synthesis gas is cleaned, e.g. is passed through a suitable membrane. The hydrogen is separated from impurities. Before entering the fuel cell, the hydrogen is cooled to the comparatively low operating temperature of the fuel cell. A fuel cell heats up the conversion of hydrogen and oxygen to water. Therefore, it must also be cooled.
Es ist aus der Druckschrift DE 196 41 143 AI sowie aus der Druckschrift DE 196 36 908 AI bekannt, mit Hilfe von Wasser eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle zu kühlen und so zu gleich die Polymerelektrolytmembran zu befeuchten. Das flussige Wasser verdampft in der Brennstoffzelle und bewirkt durch die Phasenumwandlung eine effiziente Kühlung der Zelle. Aus der Druckschrift EP 0 415 330 A2 ist bekannt, Brennstoff zusammen mit Wasser in einem Quenchkühler zu kühlen und das Gemisch einer Brennstoffzelle zuzuführen. Durch Verdampfen des Wassers in einem Bereich nahe einer Brennstoffzelle wird diese gekühlt. Das Brennstoff-Wasserstoff-Gemisch wird einem Reformierungsreak- tor zugeführt.It is known from the publication DE 196 41 143 AI and from the publication DE 196 36 908 AI to cool a polymer electrolyte fuel cell with the aid of water and thus to moisten the polymer electrolyte membrane at the same time. The liquid water evaporates in the fuel cell and, due to the phase change, brings about efficient cooling of the cell. From document EP 0 415 330 A2 it is known to cool fuel together with water in a quench cooler and to feed the mixture to a fuel cell. Evaporation of the water in an area near a fuel cell cools it. The fuel-hydrogen mixture is fed to a reforming reactor.
Strömt ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel in einer Brennstoffzelle, so erwärmt es sich zunehmend. Je wärmer das Kühlmittel wird, desto schwächer wird seine Kühlleistung. Eine Brennstoffzelle in der vorgenannten Weise zu kühlen, führt demnach zu Temperaturgradienten in der Brennstoffzelle. Temperaturgradienten innerhalb einer Brennstoffzelle bedeuten, daß diese lokal nicht mit der optimalen Betriebstemperatur und folglich nicht mit dem optimalen Wirkungsgrad betrieben wird.If a liquid or gaseous coolant flows in a fuel cell, it heats up increasingly. The warmer the coolant gets, the weaker its cooling performance. Cooling a fuel cell in the aforementioned manner accordingly leads to temperature gradients in the fuel cell. Temperature gradients within a fuel cell mean that it is not operated locally with the optimal operating temperature and consequently not with the optimal efficiency.
Wird die Brennstoffzelle lokal überhitzt, so droht eine lokale Austrocknung der Membran.If the fuel cell is overheated locally, the membrane threatens to dry out locally.
Mit fortschreitendem Austrocknen sinkt die Protonen- leitfähigkeit und der elektrochemische Wirkungsgrad. Als Folge davon steigt in diesem Bereich die Wärmeerzeugung und verstärkt den Austrocknungsvorgang.As it dries out, proton conductivity and electrochemical efficiency decrease. As a result, the heat generation in this area increases and the drying process increases.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Kühlung, das einen leistungsfähigeren Betrieb einer Brennstoffzelle ermöglicht. Aufgabe der Erfindung ist ferner die Schaffung einer zugehörigen Vorrichtung.The object of the invention is to provide a method for cooling that enables more efficient operation of a fuel cell. The object of the invention is also to provide an associated device.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den rückbezogenen Ansprüchen. Anspruchsgemaß wird die Brennstoffzelle durch Überführung einer Flüssigkeit in ein Gas gekühlt. Die abzuführende Warme wird also einer Flüssigkeit zugeführt, die dadurch m ein Gas umgewandelt wird. Die Siedetemperatur der Flüssigkeit liegt unterhalb der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle. Die Flüssigkeit nimmt überschüssige Warme der Brennstoffzelle auf, ohne sich dabei auf Temperaturen oberhalb der Betriebstemperatur zu erwarmen. Eine Uberhitzung und ein damit verbundenes Austrocknen der Membran wird so verhindert .The object is achieved by a method with the features of the main claim. Advantageous embodiments result from the related claims. According to the requirements, the fuel cell is cooled by converting a liquid into a gas. The heat to be removed is therefore fed to a liquid, which thereby converts it into a gas. The boiling point of the liquid is below the operating temperature of the fuel cell. The liquid absorbs excess heat from the fuel cell without heating up to temperatures above the operating temperature. This prevents overheating and the associated drying out of the membrane.
Es wird mit einer siedenden Flüssigkeit gekühlt. Hierunter ist zu verstehen, daß die Flüssigkeit sich bereits beim Eintritt m die Brennstoffzelle auf Siede- temperatur befindet. Statt sich m der Brennstoffzelle zunächst aufzuheizen, wird die siedende Flüssigkeit in einen Dampf überfuhrt. Folglich entstehen m der Brennstoffzelle keine Temperaturgradienten aufgrund einer unterschiedlich temperierten (Kühl-) Flüssigkeit oder Kuhlluft. Die Temperatur bleibt so im Vergleich zum eingangs genannten Stand der Technik über die gesamte Zelle konstant. Die Brennstoffzelle kann folglich gleichmäßig bei einer optimalen Betriebstemperatur betrieben werden. Als geeignete Flüssigkeiten können alle Flüssigkeiten angesehen werden, die im vorgesehenen Temperaturbereich sieden können. Dies kann bei Umgebungsdruck (Normaldruck) aber auch im Über- oder Unterdruckbereich der Fall sein. Beispielhaft seien folgende Flüssigkeiten nebst zugehörigen Betriebstemperaturen genannt:It is cooled with a boiling liquid. This means that the liquid is already at the boiling point when the fuel cell enters. Instead of first heating up in the fuel cell, the boiling liquid is converted into a vapor. Consequently, there are no temperature gradients in the fuel cell due to a differently tempered (cooling) liquid or cooling air. The temperature remains constant over the entire cell in comparison to the prior art mentioned at the beginning. The fuel cell can consequently be operated uniformly at an optimal operating temperature. Suitable liquids are all liquids that can boil in the intended temperature range. At ambient pressure (normal pressure), this can also be the case in the overpressure or underpressure range. The following liquids and associated operating temperatures are mentioned as examples:
Flüssigkeit Siedetempera- Druck/bar mögl . Betrieb- tur/°C stemperatur derLiquid boiling temperature pressure / bar possible Operating / ° C temperature of
Zelle/°CCell / ° C
Wasser 70 0,31 80Water 70 0.31 80
Wasser 80 0,47 90Water 80 0.47 90
Wasser 90 0,70 100Water 90 0.70 100
Methanol 70 1,21 80Methanol 70 1.21 80
Methanol 80 1,78 90Methanol 80 1.78 90
Methanol 90 2,55 100Methanol 90 2.55 100
Ethanol 70 0,80 80Ethanol 70 0.80 80
Ethanol 80 1,08 90Ethanol 80 1.08 90
Ethanol 90 1,58 100Ethanol 90 1.58 100
Gemische von Flüssigkeiten, die im entsprechenden Tem- peraturbereich sieden, können ebenfalls eingesetzt werden.Mixtures of liquids boiling in the appropriate temperature range can also be used.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Brennstoff zunächst durch eine externe Reformierung auf z. B. ca. 300 °C erwärmt. Der erwärmte Brennstoff wird an- schließend durch Verdampfen von Wasser gekühlt. AlsIn one embodiment of the method, the fuel is initially converted to e.g. B. heated to about 300 ° C. The heated fuel is then cooled by evaporating water. As
Mittel, mit dem ein Betriebsgas durch Verdampfen einer Flüssigkeit gekühlt wird, kann ein Quenchkühler vorgesehen werden.A quench cooler can be provided by means of which an operating gas is cooled by vaporizing a liquid.
Die bei einer solchen Kühlung auftretenden Druckver- luste sind relativ gering. Wird ein extern reformierter Brennstoff vor der Zuführung zur Brennstoffzelle durch Verdampfen von Wasser in einem Quenchkühler gekühlt, so wird der Brennstoff zugleich befeuchtet. So wird nicht nur der Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung erhöht, sondern es entfallt ein zusätzlicher apparativer Aufwand für das Befeuchten des Brennstoffes .The pressure losses that occur with such cooling are relatively small. If an externally reformed fuel is cooled by evaporation of water in a quench cooler before being fed to the fuel cell, the fuel is simultaneously humidified. It won't only increases the efficiency of power generation, there is no additional equipment for moistening the fuel.
Bei einem weiteren Beispiel wird das Oxidationsmittel zunächst komprimiert und dabei erwärmt. Durch das Komprimieren des Oxidationsmittels, üblicherweise Luft, entstehen m der Brennstoffzelle auf der Kathodenseite erhöhte Drucke. Ein erhöhter, auf der Kathodenseite herrschender Druck ist erwünscht, da hierdurch der Wir- kungsgrad der Brennstoffzelle gesteigert wird. Durch einen höheren Kathodendruck wird m der Brennstoffzelle entstehendes Produktwasser aus dem Kathodenraum in die Membran zurückgedrängt. So wird die Membran vorteilhaft befeuchtet . Auch für die Abtrennung des in der Brennstoffzelle durch die Zellenreaktion produzierten Wassers ist ein erhöhter Druck vorteilhaft (häufig sogar notwendig) , um die für das Gesamtsystem notwendige Wassermenge abscheiden zu können. Wird das im Zuge der Verdichtung erwärmte Oxidationsmittel anschließend in einem Quenchkühler durch Verdampfen von Wasser gekühlt, so wird es zugleich vorteilhaft befeuchtet, ohne große Druckverluste hinnehmen zu müssen. Einer Austrocknung der Membran wird folglich weiter entgegengewirkt. Die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle bleibt erhalten.In a further example, the oxidizing agent is first compressed and heated in the process. Compressing the oxidizing agent, usually air, creates increased pressures in the fuel cell on the cathode side. An increased pressure prevailing on the cathode side is desirable since this increases the efficiency of the fuel cell. Due to a higher cathode pressure, product water formed in the fuel cell is pushed back out of the cathode compartment into the membrane. The membrane is thus advantageously moistened. Increased pressure is also advantageous (often even necessary) for the separation of the water produced in the fuel cell by the cell reaction in order to be able to separate the amount of water required for the overall system. If the oxidizing agent heated in the course of the compression is subsequently cooled in a quench cooler by evaporation of water, it is at the same time advantageously moistened without having to accept large pressure drops. Drying out of the membrane is consequently further counteracted. The performance of a fuel cell is retained.
In einer vorteilhaften Ausfuhrungsform wird m der Brennstoffzelle produziertes Wasser dem oder den Quenchkuhlern zugeführt. Eine externe Wasserzufuhr kann entsprechend eingespart werden.In an advantageous embodiment, water produced in the fuel cell is fed to the quench cooler (s). An external water supply can be saved accordingly.
Eine Quenchkuhlung hat zur Folge, daß ein Gas optimal befeuchtet werden kann. Die zur Verdampfung benotigte Warme wird dem zugefuhrten heißen, trockenen Gas ent- nommen. Das Gas wird dadurch gekühlt und gleichzeitig durch das verdampfte Wasser befeuchtet. Wenn die Temperatur des befeuchteten Gases so weit abgesenkt ist, daß eben kein zusätzliches Wasser mehr verdampft werden kann, so liegt eine optimale Befeuchtung des Gases vor.Quench cooling means that a gas can be optimally humidified. The heat required for evaporation is extracted from the supplied hot, dry gas. taken. This cools the gas and at the same time moistens it with the evaporated water. If the temperature of the humidified gas is lowered to such an extent that no additional water can be evaporated, the gas is optimally humidified.
Die Gastemperatur des befeuchteten Gases ist dann gleich einer Wassertemperatur, der ein Wasserdampfdruck zugeordnet ist, die dem Wasserdampfpartialdruck des befeuchteten Gases bei dieser Temperatur entspricht. Ein überschüssiger, kleiner Wasseranteil senkt die Temperatur des Gasgemisches nur geringf gig.The gas temperature of the humidified gas is then equal to a water temperature to which a water vapor pressure is assigned, which corresponds to the water vapor partial pressure of the humidified gas at this temperature. An excess, small amount of water lowers the temperature of the gas mixture only slightly.
Bei dem vorgesehenen Arbeitsdruck (von z. B. 1,7 bar) auf der Anodenseite der Zelle und ausgehend von 300°C heißem Wasserstoff hinter der Reinigungsstufe, fuhrt diese Form der Befeuchtung zu einer Temperatur, die in der Nahe der Arbeitstemperatur der Zelle liegt, bzw. geringfügig darunter.At the intended working pressure (e.g. 1.7 bar) on the anode side of the cell and starting from 300 ° C hot hydrogen behind the cleaning stage, this form of humidification leads to a temperature that is close to the working temperature of the cell , or slightly below.
Gastemperatur und Befeuchtungsgrad (relative Feuchte = 100%) sind dann derart, daß weder eine Kondensation durch die vorgesehene Kühlung und damit eine Transportbehinderung m der porösen Katalysatorschicht, noch eine Austrocknung der Membran geschehen kann.Gas temperature and degree of humidification (relative humidity = 100%) are then such that neither condensation due to the cooling provided and thus a transport impediment in the porous catalyst layer, nor drying out of the membrane can take place.
Auf der Kathodenseite (betrieben bei erhöhtem Druck von z. B. 2 bar) wird die durch die Verdichtung auf ca. 100°C erwärmte Luft bei gleichzeitiger Befeuchtung von relativ 100% auf eine Temperatur im Bereich von 50°C gekühlt .On the cathode side (operated at an increased pressure of, for example, 2 bar), the air heated by the compression to approximately 100 ° C. is cooled to a temperature in the range of 50 ° C. with simultaneous humidification of relatively 100%.
Dadurch kann das an der Kathode bei der Reaktion erzeugte Wasser unter Erwärmung durch Zellenabwarme auf- genommen werden. Wasser m flussiger Form liegt auf diese Weise nur unmittelbar auf der Membran, d.h. im Bereich der Kathodenreaktion, vor. Eine Transportbehm- derung in der porösen Katalysatorschicht wird gering gehalten .As a result, the water generated on the cathode during the reaction can be absorbed while being heated by cell waste heat. In this way, water in liquid form is only present directly on the membrane, ie in the area of the cathode reaction. A transport The change in the porous catalyst layer is kept low.
An der Kathode wird bei der Reaktion H2 + 02 = H20 ausschließlich Sauerstoff und Wasserstoff umgesetzt. Wird die zugeführte Luftmenge so gewählt, daß das Verhältnis von H2 zu 02 gleich Η ist, so ist die Luftzahl (Lambda) = 1. Allgemein ist die Luftzahl Lambda eine Stöchiometriezahl, die ein Maß für den Oxidationsmit- telüberschuß an der Kathode darstellt. Lambda - Werte größer als "1" wirken sich positiv auf die ablaufendeOnly oxygen and hydrogen are reacted on the cathode in the reaction H 2 + 0 2 = H 2 0. If the amount of air supplied is selected so that the ratio of H 2 to 0 2 is equal to Luft, then the air ratio (lambda) = 1. In general, the air ratio lambda is a stoichiometric number which represents a measure of the excess of oxidizing agent at the cathode . Lambda values greater than "1" have a positive effect on the expiration
Kathodenreaktion aus. Die Stromausbeute erhöht sich zunächst mit größer werdenden Lamda-Werten .Cathode reaction. The current yield initially increases with increasing lambda values.
Nachteilig steigt mit steigendem Lambda - Wert die zu verdichtende Luftmenge und damit die zu leistende Ver- dichtungsarbeit . Entsprechend verschlechtert sich der Wirkungsgrad der Vorrichtung.The disadvantageously increases with increasing lambda value the amount of air to be compressed and thus the compression work to be performed. The efficiency of the device deteriorates accordingly.
Nachteilig haben große Lamda-Werte ferner zur Folge, daß sich die Abluftmenge erhöht, ohne daß gleichzeitig die Wassermenge im gleichen Verhältnis erhöht wird. Der Wasserdampfpartialdruck sinkt und damit die Kondensier- barkeit des Wassers. Es wird schließlich nicht mehr die für das Gesamtsystem notwendigen Wassermenge vom System produziert .Another disadvantage of large lambda values is that the amount of exhaust air increases without increasing the amount of water in the same ratio. The water vapor partial pressure drops and with it the condensability of the water. After all, the system no longer produces the amount of water required for the overall system.
Lamda-Werte von 1,5 bis 2,5 haben sich für den Betrieb der Vorrichtung aus vorgenannten Gründen als vorteilhaft herausgestellt.Lamda values of 1.5 to 2.5 have been found to be advantageous for the operation of the device for the aforementioned reasons.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert. Figur 1 zeigt ein Fließbild einer anspruchsgemäßen Vorrichtung mit folgenden Bedeutungen: Dreiecke = Bilanzorte (BO) gemäß den Angaben aus den nachfolgenden Ta- bellen; P: Pumpe, E: Erhitzer, Rl : Reformer, MFl: Membranfilter, Kl: katalytischer Brenner/ katalytische Konvertierung (z. B bekannt aus der Dissertation „Erik Riedel, D82 RWTH Aachen, Deutschland" sowie aus „ISSN 0944-2952 Berichte des Forschungszentrums Jülich 3240"), B: Befeuchter/Quenchkühler, T : (Entspannungs-) Turbine, G: Gebläse/Verdichter, HE: Kühler/ Kondensatabscheider .The invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 shows a flow diagram of a device according to the claims with the following meanings: triangles = balance locations (BO) according to the information from the following tables. bark; P: pump, E: heater, Rl: reformer, MFl: membrane filter, Kl: catalytic burner / catalytic conversion (e.g. known from the dissertation "Erik Riedel, D82 RWTH Aachen, Germany" as well as from "ISSN 0944-2952 reports des Forschungszentrum Jülich 3240 "), B: humidifier / quench cooler, T: (expansion) turbine, G: blower / compressor, HE: cooler / condensate separator.
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Die ersten zwei Tabellen verdeutlichen die Gasstrome im System (BO = Bilanzorte gemäß Figur 1 (Fließbild "PEFC- Syste ")) ■ D e dritte Tabelle verdeutlicht die Gasstrome im Kuhlkreislauf (BO = Bilanzorte gemäß Fließbild "PEFC-System", Kuhlarbeit: 227,2 kJ/mol Methanol (Kraftstoff) an Bilanzort (BO) 3)The first two tables illustrate the gas flows in the system (BO = balance locations according to FIG. 1 (flow diagram "PEFC system")). The third table illustrates the gas flows in the cooling circuit (BO = balance locations according to the flow diagram "PEFC system", cooling work: 227 .2 kJ / mol methanol (fuel) at the balance point (BO) 3)
Figur 2 zeigt einen Quenchkühler mit einem unter erhöhtem Druck betriebenen Behalter A, m den heißes, trok- kenes Gas B einströmt. Außerdem wird Wasser C unter erhöhtem Druck m den Behalter hineingeführt und mit einer Düse versprüht. Die dabei entstehenden Wassertropf- chen sind klein, so daß sie schnell verdampfen können.FIG. 2 shows a quench cooler with a container A operated under increased pressure, into which hot, dry gas B flows. In addition, water C is introduced into the container under increased pressure and sprayed with a nozzle. The resulting water droplets are small so that they can evaporate quickly.
Die zur Verdampfung benotigte Warme wird dem heißen, trockenen Gas entnommen. Das Gas wird dadurch gekühlt und gleichzeitig durch das verdampfte Wasser befeuchtet. Wenn die Temperatur des abströmenden, befeuchteten und gekühlten Gas so weit abgesenkt ist, daß eben kein zusätzliches Wasser mehr verdampft werden kann, ist ein optimaler Befeuchtungsgrad des Gases erreicht. Das befeuchtete, gek hlte Gas entweicht durch den Auslaß DThe heat required for evaporation is taken from the hot, dry gas. This cools the gas and at the same time moistens it with the evaporated water. If the temperature of the outflowing, humidified and cooled gas is reduced to such an extent that no additional water can be evaporated, an optimal degree of humidification of the gas is achieved. The humidified, cooled gas escapes through outlet D
Eine kleine Menge an überschüssigem Wasser senkt die Temperatur des Gasgemisches nur geringfügig und entweicht durch den Auslaß E.A small amount of excess water lowers the temperature of the gas mixture only slightly and escapes through outlet E.
Die in den Quenchk hler eingeleitete Wassermenge wird durch eine Dosiereinrichtung den Anforderungen bezuglich Menge, Temperatur und Druck des trockenen, heißen, zu k hlenden und zu befeuchtenden Gases angepaßt. Der Quenchkühler kann Mittel enthalten, die nicht verdampftes Wasser zur ckhalten. Überschüssiges Wasser wird ab- geleitet und kann nach einer Druckerhöhung mittels einer geeigneten Pumpe wieder in den Quenchkühler eingespeist werden. The amount of water introduced into the quench cooler is adapted by a metering device to the requirements relating to the amount, temperature and pressure of the dry, hot gas to be cooled and humidified. The quench cooler can contain agents that retain non-evaporated water. Excess water is removed passed and can be fed back into the quench cooler by means of a suitable pump after a pressure increase.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle, indem diese durch Überführen einer Flüssigkeit in ein Gas gekühlt wird, wobei die Flüssigkeit vor Eintritt in die Brennstoffzelle auf Siedetemperatur gebracht wird und die Siedetemperatur geringer als die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle ist.1. A method of cooling a fuel cell by cooling it by converting a liquid into a gas, the liquid being brought to boiling temperature before entering the fuel cell and the boiling temperature being lower than the operating temperature of the fuel cell.
2. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, bei dem ein Brennstoff reformiert, der reformierte Brennstoff in einem Quenchkühler durch Verdampfen von Wasser gekühlt und der im Quenchkühler gekühlte Brennstoff der Brennstoffzelle zugeführt wird.2. The method according to the preceding claim, in which a fuel is reformed, the reformed fuel is cooled in a quench cooler by evaporation of water and the fuel cooled in the quench cooler is fed to the fuel cell.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Oxidationsmittel komprimiert, das komprimierte Oxidationsmittel in einem Quenchkühler durch Verdampfen von Wasser gekühlt und das im Quenchkühler gekühlte Oxidationsmittel der Brennstoffzelle zugeführt wird.3. The method according to any one of the preceding claims, wherein an oxidizing agent compresses, the compressed oxidizing agent is cooled in a quench cooler by evaporation of water and the oxidizing agent cooled in the quench cooler is supplied to the fuel cell.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, bei dem in der Brennstoffzelle entstehendes Wasser zumindest einem der Quenchkühler zugeführt wird.Method according to one of the two preceding claims, in which water produced in the fuel cell is fed to at least one of the quench coolers.
5. Vorrichtung mit einer Brennstoffzelle, die Mittel zum Aufheizen einer Kühlflüssigkeit auf Siedetemperatur und zur Zuleitung der aufgeheizten Kühlflüs- sigkeit in die Brennstoffzelle umfaßt. 5. Device with a fuel cell, which comprises means for heating a cooling liquid to boiling temperature and for supplying the heated cooling liquid into the fuel cell.
6. Vorrichtung nach vorhergehendem Vorrichtungsanspruch mit einem Quenchkühler und einer Zuleitung vom Quenchkühler zur Brennstoffzelle, so daß Brennstoff oder Oxidationsmittel vom Quenchkühler über die Zu- leitung zur Brennstoffzelle gelangen kann.6. Device according to the preceding device claim with a quench cooler and a feed line from the quench cooler to the fuel cell, so that fuel or oxidizing agent can reach the fuel cell from the quench cooler via the feed line.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche mit einem externen Reformierungsreak- tor und einer Zuleitung vom Reaktor zum Quenchküh- 1er, so daß Brennstoff vom Reaktor zum Quenchkühler gelangen kann.7. Device according to one of the preceding device claims with an external reforming reactor and a feed line from the reactor to the quench cooler, so that fuel can get from the reactor to the quench cooler.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, mit einer Verbindung zwischen der Brennstoffzelle und einem Quenchkühler, mittels der in der Brennstoffzelle entstehendes Produktwasser dem Quenchkühler zugeleitet werden kann. 8. Device according to one of the preceding device claims, with a connection between the fuel cell and a quench cooler, by means of which product water formed in the fuel cell can be fed to the quench cooler.
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