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WO2022008255A1 - Humidification system for a fuel cell system - Google Patents

Humidification system for a fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
WO2022008255A1
WO2022008255A1 PCT/EP2021/067284 EP2021067284W WO2022008255A1 WO 2022008255 A1 WO2022008255 A1 WO 2022008255A1 EP 2021067284 W EP2021067284 W EP 2021067284W WO 2022008255 A1 WO2022008255 A1 WO 2022008255A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
air
fuel cell
primary
cell system
line
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/067284
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jan Hendrik OHS
Stefan Schoenbauer
Manuel Schneiter
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2022008255A1 publication Critical patent/WO2022008255A1/en

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04291Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828Humidity; Water content
    • H01M8/04835Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095Fuel cells with polymeric electrolytes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • Fuel cell systems use oxygen to convert hydrogen into electrical energy while generating waste heat and water.
  • fuel cell systems include at least one fuel cell stack made up of a number of fuel cells with an anode that is supplied with hydrogen, a cathode that is supplied with air and a polymer electrolyte membrane arranged between the anode and the cathode.
  • MEA membrane electrode assembly
  • reaction gases hydrogen and oxygen which is provided by the air supplied, as well as cooling liquid are fed into a respective fuel cell via a so-called bipolar plate (BPP) and distributed evenly over the active surface.
  • BPP bipolar plate
  • a repeating unit consisting of MEA and BPP is stacked in series to form a fuel cell stack.
  • the MEA In order to create optimal operating conditions for a fuel cell, it is necessary for the MEA to be sufficiently well moistened under as many operating conditions as possible, since areas that are too dry one Increase membrane proton resistance and promote aging due to pitting. Furthermore, areas that are too humid lead to a loss of liquid water and thus to a blockage of gas diffusion paths, which can lead to significant mass transport losses.
  • a countercurrent humidifier is generally used to humidify air supplied to a fuel cell system.
  • a counter-current humidifier consists of thin or fine capillary tubes. Highly humidified exhaust air from the fuel cell system flows inside the tubes, while unhumidified supply air from the environment flows around the tubes, so that the supply air absorbs moisture from the outlet.
  • the invention presented serves to enable robust operation of a fuel cell system.
  • the presented invention serves to prevent a fuel cell from drying out in certain areas or flooding in certain areas with water.
  • the humidification system includes a humidifier for humidifying air to be supplied to the fuel cell system, a primary line and a secondary line.
  • the primary line is configured to direct air into the humidifier.
  • the secondary line is configured to draw air around the humidifier to guide around.
  • the humidification system is configured to supply the fuel cell system with a first quantity of air or with primary air from the primary line, which has a first relative humidity, and with a second quantity of air or secondary air from the secondary line, which has a second relative humidity different from the first relative humidity , to irrigate.
  • humidity or moisture is to be understood as relative humidity.
  • the humidification system presented serves in particular to reduce or narrow a humidity range in a so-called “cross-flow design” by supplying air with lower humidity to a lower region of a respective fuel cell than to an upper region.
  • the humidification system presented comprises two lines, a primary line and a secondary line, which flow through the fuel cell system with air of different humidity levels.
  • the primary line is configured to conduct incoming air, in particular ambient air, into the humidifier of the humidification system presented, the air flowing through the primary line is humidified by the humidifier.
  • the secondary line is configured to conduct incoming air, in particular ambient air, around the humidifier of the humidification system presented or past the humidifier, air flowing through the secondary line is not humidified by the humidifier. Accordingly, the secondary line forms a humidifier bypass.
  • the humidity of the air provided by the primary line differs from the humidity of the air provided by the secondary line, ie secondary air.
  • the Primary air is more humid or the humidity of the primary air is higher than the humidity of the secondary air.
  • the primary line and the secondary line can also be continued in the area behind the humidifier of the humidification system presented.
  • a short supply connection with a length of less than 500 mm, for example, primary air and secondary air are only mixed to a limited extent in the supply connection, so that there are still different humidities locally, but there is a smooth transition of the humidities and no step between the respective humidities are.
  • a moisture jump can also be smoothed out by a membrane that is permeable to water vapor.
  • a supply connection configured for connecting to the primary line and the secondary line can also be used, which is particularly long, in particular with a length of more than 500 mm, and possibly has a separation into two gas channels in its interior.
  • the primary line and the secondary line may converge in a connector for connection to the service port.
  • a partition such as a wall or a membrane permeable to water vapor, can be arranged in the connecting piece in order to prevent or regulate the mixing of primary air and secondary air.
  • the primary line is configured to be connected to a primary connection of the fuel cell system and the secondary line is configured to be connected to a secondary connection of the fuel cell system in order to supply the fuel cell system with air.
  • the primary line and the secondary line can each have a connecting piece at their end.
  • the fitting may be configured to provide flow dynamics in the corresponding supply port, to create, for example, turbulent flow or laminar flow in the corresponding supply port.
  • the connection piece can be configured, for example, in a linear or radially curved manner.
  • the supply connections can act as air lines and transport primary air and/or secondary air.
  • the cross section and/or the number of the respective primary air lines of the plurality of primary air lines are selected such that a predetermined flow pattern is established in the fuel cell system.
  • the capillary tubes present in the humidifier can be designed in such a way that a predetermined humidification pattern is established in the air lines.
  • a number of first capillary tubes can be made particularly thick in order to generate a high level of moisture ingress into the air flowing around the first capillary tubes
  • a number of second capillary tubes can be made particularly thin in order to generate a low or, compared to the first capillary tube, less moisture ingress .
  • a mixing chamber can be used, into which primary air and secondary air are introduced and from which a mixed form, i.e. tertiary air, is discharged. Accordingly, only tertiary air or primary air, secondary air and tertiary air can flow through a fuel cell system.
  • a humidity of the tertiary air changes depending on a ratio of primary air and secondary air introduced into the mixing chamber. Accordingly, provision can be made for the ratio to be dynamically adjusted, for example by at least partially closing the primary line and/or the secondary line, for example as a function of a state of the fuel cell system to which flow is to be applied.
  • the primary line, the secondary air line and the mixing chamber are each configured to be connected to a supply connection of the fuel cell system.
  • the humidifier is constructed according to the cross-flow principle, that a large number of primary lines are arranged on the humidifier, and that the humidifier is configured to flow respective primary lines with respective streams of primary air whose relative humidity differs from one another.
  • a humidity gradient forms at the outlet of the humidifier over its length. If the air flowing out of the humidifier is taken off via a number of primary lines, such as pipes, which are arranged next to one another on the humidifier, a large number of primary air flows with different levels of humidity are available for separate supply to a fuel cell system. Provision can be made for only one primary line or a selection of primary lines to be connected to a fuel cell system, for example by setting a directional control valve or a flap control accordingly.
  • a cooling effect and a humidification effect is achieved due to the high moisture input, which in combination with a selective supply of a cold area with secondary air results in a homogeneous heat and moisture distribution in a corresponding fuel cell system.
  • the presented invention relates to a fuel cell system with a possible embodiment of the presented humidification system. It can be provided that the fuel cell system comprises a primary connection for connection to the primary line and a secondary connection for connection to the secondary line, and that the primary connection and the secondary connection are designed as a collecting line with a membrane permeable to water vapor.
  • a water vapor-permeable membrane is suitable, which leads to a controlled and only partial mixing of primary air and secondary air.
  • the humidifier Due to the first and second outlet lines, the humidifier causes a lower pressure loss at a low flow rate, with a total water content being slightly smaller than when using a central outlet line due to the higher temperature level.
  • FIG. 1 shows a possible embodiment of the humidification system according to the invention
  • FIG. 2 shows a possible embodiment of the fuel cell system according to the invention
  • FIG. 3 shows a possible embodiment of a humidifier of the humidifying system according to the invention.
  • a humidification system 100 is shown in FIG.
  • the humidification system comprises a humidifier 101 for humidifying air, a primary line 103 and a secondary line 105.
  • the primary line 103 is connected to the humidifier 101 so that air flowing into the primary line is guided into the humidifier 101 and humidified there.
  • the secondary line 105 goes around the humidifier 101 so that air flowing into the secondary line is not humidified by the humidifier.
  • the primary line 103 and the secondary line 105 run separately from one another to an optional mixing chamber 107. Accordingly, primary air humidified through the primary line and secondary air that is not humidified or is dry relative to the primary air is blown into the mixing chamber 107 through the secondary line.
  • a mixture of primary air and secondary air is produced in the mixing chamber 107, which is referred to below as tertiary air.
  • an outlet of the primary line, an outlet of the secondary line and an outlet of the mixing chamber are connected to respective supply connections of the fuel cell system, so that the fuel cell system is supplied with primary air, secondary air and tertiary air.
  • the configuration of the supply connections of the fuel cell system allows air to flow through selected areas of the fuel cell system, as is shown in detail in FIG.
  • FIG 2 shows a fuel cell system 200 with a primary connection 201, which is supplied with primary air through the primary line 103, as shown in Figure 1, and a secondary connection 203, which is supplied with secondary air through the secondary line 105, as shown in Figure 1 is supplied. Accordingly, more humid air flows through the primary connection 201 than through the secondary connection 203.
  • the fuel cell system 200 includes a bipolar plate 205.
  • the bipolar plate 205 is supplied with operating media in a so-called cross-flow specification, so that hydrogen flows from a hydrogen inlet 207 to a hydrogen outlet 209 and coolant from a coolant inlet 211 to a coolant outlet 213. Due to the cross-flow specification, a rather warm/hot area results in the upper part of the bipolar plate 205, as indicated by a first arrow 215, while a lower area, as indicated by a second arrow 217, is rather cool.
  • moist primary air from the primary connection 201 flows through the warm area, whereas dry secondary air from the secondary connection 203 flows through the cold area. Accordingly, the wetter primary air humidifies the warm area to a greater extent than the drier secondary air, which has a dehumidifying effect, in the cold area.
  • a humid area of the fuel cell system 200 narrows compared to a structure without the humidification system 100. Accordingly, the water consumption of the fuel cell system is reduced compared to a fuel cell system without the humidification system 100.
  • the fuel cell system further includes a primary outlet 219 that is connected to the humidifier 101 to supply moist exhaust air from the fuel cell system 200 to the humidifier 101, and a secondary outlet 221 that discharges used air to an environment.
  • the primary outlet 219 and the secondary outlet 221 can optionally be formed in a common outlet tube 223 which is divided into two areas by a water vapor permeable membrane 225 .
  • the fuel cell system 200 can also be configured in a so-called co-flow or counter-flow specification.
  • FIG. 3 shows a humidifier 300 which is constructed according to a cross-flow principle. Moist air discharged from a fuel cell stack is conducted into the humidifier 300 through first inlets, as indicated by arrows 301 , and conducted as exhaust air out of the humidifier 300 through first outlets, as indicated by arrows 303 .
  • Ambient dry air is routed through primary lines, as indicated by arrows 305, into the humidifier 300 and through other primary lines, as indicated by arrows 307, as primary air to the fuel cell stack.
  • a curve 309 schematically shows a distribution of a relative humidity of primary air flowing through the further primary lines. Accordingly, primary ducts located at an upper edge of the humidifier 300 conduct primary air that is particularly moist, while primary ducts located at a lower edge of the humidifier conduct relatively dry primary air.
  • the distribution of the relative air humidity in the various primary lines can be used to flow selected areas of a fuel cell system with an exactly specified air humidity in order to provide a specific cooling capacity or a specific humidification capacity for a respective selected area.

Landscapes

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  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

The present invention relates to a humidification system (100) for a fuel cell system (200). The humidification system (100) comprises: a humidifier (101) for humidifying air to be supplied to the fuel cell system (200); a primary line (103) and a secondary line (105). The primary line (103) is configured to convey air to the humidifier (101). The secondary line (105) is configured to convey air around the humidifier (101). The humidification system (100) is configured to apply, to the fuel cell system (200), a first air flow quantity of a first relative air humidity from the primary line (103), and a second air flow quantity of a second relative air humidity that is different from the first air humidity from the secondary line (105). The proposed invention also relates to a fuel cell system (200).

Description

Beschreibung description
Titel title
Befeuchtungssystem für ein Brennstoffzellensystem Humidification system for a fuel cell system
Stand der Technik State of the art
Brennstoffzellensysteme wandeln Wasserstoff mittels Sauerstoff zu elektrischer Energie unter Erzeugung von Abwärme und Wasser um. Dazu umfassen Brennstoffzellensysteme mindestens einen Brennstoffzellenstapel aus einer Anzahl Brennstoffzellen mit einer Anode, die mit Wasserstoff versorgt wird, einer Kathode, die mit Luft versorgt wird und einer zwischen Anode und Kathode angeordneten Polymer- Elektrolytmembran. Fuel cell systems use oxygen to convert hydrogen into electrical energy while generating waste heat and water. To this end, fuel cell systems include at least one fuel cell stack made up of a number of fuel cells with an anode that is supplied with hydrogen, a cathode that is supplied with air and a polymer electrolyte membrane arranged between the anode and the cathode.
Innerhalb einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) einer Brennstoffzelle finden elektrochemische Teilreaktionen von Wasserstoff und Sauerstoff getrennt durch eine Membran statt. Die Reaktionen finden innerhalb einer Katalysatorschicht auf einer sogenannten aktiven Fläche der MEA statt. Within a membrane electrode assembly (MEA) of a fuel cell, partial electrochemical reactions of hydrogen and oxygen take place separately through a membrane. The reactions take place within a catalyst layer on a so-called active area of the MEA.
Die Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff, der durch die zugeführte Luft bereitgestellt wird, sowie Kühlflüssigkeit werden über eine sog. Bipolarplatte (BPP) in eine jeweilige Brennstoffzelle geleitet und gleichmäßig über die aktive Fläche verteilt. The reaction gases hydrogen and oxygen, which is provided by the air supplied, as well as cooling liquid are fed into a respective fuel cell via a so-called bipolar plate (BPP) and distributed evenly over the active surface.
Um die Leistung einer Brennstoffzelle zu steigern wird eine Wiederholeinheit, bestehend aus MEA und BPP, in Reihe zu einem Brennstoffzellenstapel gestapelt. In order to increase the performance of a fuel cell, a repeating unit consisting of MEA and BPP is stacked in series to form a fuel cell stack.
Um optimale Betriebsbedingungen für eine Brennstoffzelle zu schaffen, ist es erforderlich, dass die MEA unter möglichst allen Betriebsbedingungen ausreichend gut befeuchtet ist, da zu trockene Gebiete einen Protonenleitwiderstand der Membran erhöhen und eine Alterung aufgrund Lochbildung fördern. Weiterhin führen zu feuchte Gebiete zu einem Flüssigwasserausfall und damit zu einer Verblockung von Gas-Diffusionswegen, was zu signifikanten Massentransportverlusten führen kann. In order to create optimal operating conditions for a fuel cell, it is necessary for the MEA to be sufficiently well moistened under as many operating conditions as possible, since areas that are too dry one Increase membrane proton resistance and promote aging due to pitting. Furthermore, areas that are too humid lead to a loss of liquid water and thus to a blockage of gas diffusion paths, which can lead to significant mass transport losses.
Zum Befeuchten von einem Brennstoffzellensystem zugeführter Luft wird in der Regel ein Gegenstrom- Befeuchter verwendet. Ein Gegenstrom- Befeuchter besteht aus dünnen bzw. feinen Kapillarröhrchen. Innerhalb der Röhrchen fließt stark befeuchtete Abluft des Brennstoffzellensystems, während um die Röhrchen herum unbefeuchtete Zuluft aus der Umgebung strömt, sodass die Zuluft Feuchtigkeit aus der Ablauf aufnimmt. A countercurrent humidifier is generally used to humidify air supplied to a fuel cell system. A counter-current humidifier consists of thin or fine capillary tubes. Highly humidified exhaust air from the fuel cell system flows inside the tubes, while unhumidified supply air from the environment flows around the tubes, so that the supply air absorbs moisture from the outlet.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Befeuchtungssystem und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Befeuchtungssystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. genommen werden kann. As part of the presented invention, a humidification system and a fuel cell system are presented with the features of the respective independent patent claims. Further features and details of the invention result from the respective dependent claims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the humidification system according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is always referred to or can be referred to alternately.
Die vorgestellte Erfindung dient dazu, einen robusten Betrieb eines Brennstoffzellensystems zu ermöglichen. Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung dazu, ein bereichsweises Austrocknen bzw. bereichsweises Fluten einer Brennstoffzelle mit Wasser zu verhindern. The invention presented serves to enable robust operation of a fuel cell system. In particular, the presented invention serves to prevent a fuel cell from drying out in certain areas or flooding in certain areas with water.
Es wird somit ein Befeuchtungssystem für ein Brennstoffzellensystem vorgestellt. Das Befeuchtungssystem umfasst einen Befeuchter zum Befeuchten von dem Brennstoffzellensystem zuzuführender Luft, eine Primärleitung und eine Sekundärleitung. Die Primärleitung ist dazu konfiguriert, Luft in den Befeuchter zu leiten. Die Sekundärleitung ist dazu konfiguriert, Luft um den Befeuchter herum zu leiten. Das Befeuchtungssystem ist dazu konfiguriert, das Brennstoffzellensystem mit einer ersten Luftmenge bzw. mit Primärluft aus der Primärleitung, die eine erste relative Luftfeuchte aufweist und mit einer zweiten Luftmenge bzw. Sekundärluft aus der Sekundärleitung, die eine zweite, von der ersten Luftfeuchte verschiedene relative Luftfeuchte aufweist, zu beströmen. A humidification system for a fuel cell system is thus presented. The humidification system includes a humidifier for humidifying air to be supplied to the fuel cell system, a primary line and a secondary line. The primary line is configured to direct air into the humidifier. The secondary line is configured to draw air around the humidifier to guide around. The humidification system is configured to supply the fuel cell system with a first quantity of air or with primary air from the primary line, which has a first relative humidity, and with a second quantity of air or secondary air from the secondary line, which has a second relative humidity different from the first relative humidity , to irrigate.
Unter einer Feuchte bzw. einer Feuchtigkeit ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine relative Luftfeuchtigkeit zu verstehen. In the context of the present invention, humidity or moisture is to be understood as relative humidity.
Das vorgestellte Befeuchtungssystem dient insbesondere zum Reduzieren bzw. Verschmälern eines Feuchtebereichs in einem sogenannten „Cross- Flow Design“, indem einem unteren Bereich einer jeweiligen Brennstoffzelle Luft mit geringerer Feuchte zugeführt wird als einem oberen Bereich. The humidification system presented serves in particular to reduce or narrow a humidity range in a so-called “cross-flow design” by supplying air with lower humidity to a lower region of a respective fuel cell than to an upper region.
Zum Einstellen von Bereichen in einem Brennstoffzellensystem, die mit verschieden feuchter Luft beströmt werden, umfasst das vorgestellten Befeuchtungssystem zwei Leitungen, eine Primärleitung und eine Sekundärleitung, die das Brennstoffzellensystem mit unterschiedlich feuchter Luft beströmen. In order to adjust areas in a fuel cell system that are flown through with air of different humidity levels, the humidification system presented comprises two lines, a primary line and a secondary line, which flow through the fuel cell system with air of different humidity levels.
Da die Primärleitung dazu konfiguriert ist, anströmende Luft, insbesondere Umgebungsluft, in den Befeuchter des vorgestellten Befeuchtungssystems zu leiten, wird die durch die Primleitung strömende Luft durch den Befeuchter befeuchtet. Since the primary line is configured to conduct incoming air, in particular ambient air, into the humidifier of the humidification system presented, the air flowing through the primary line is humidified by the humidifier.
Da die Sekundärleitung dazu konfiguriert ist, anströmende Luft, insbesondere Umgebungsluft, um den Befeuchter des vorgestellten Befeuchtungssystems herum bzw. an dem Befeuchter vorbei zu leiten, wird durch die Sekundärleitung strömende Luft nicht durch den Befeuchter befeuchtet. Entsprechend bildet die Sekundärleitung einen Befeuchterbypass. Since the secondary line is configured to conduct incoming air, in particular ambient air, around the humidifier of the humidification system presented or past the humidifier, air flowing through the secondary line is not humidified by the humidifier. Accordingly, the secondary line forms a humidifier bypass.
Entsprechend unterscheidet sich eine Feuchte von durch die Primärleitung bereitgestellter Luft, d.h. Primärluft, von einer Feuchte von durch die Sekundärleitung bereitgestellter Luft, d.h. Sekundärluft. Insbesondere ist die Primärluft feuchter bzw. eine Feuchte der Primärluft höher als eine Feuchte der Sekundärluft. Correspondingly, the humidity of the air provided by the primary line, ie primary air, differs from the humidity of the air provided by the secondary line, ie secondary air. In particular, the Primary air is more humid or the humidity of the primary air is higher than the humidity of the secondary air.
Durch das Erzeugen von zwei unterschiedlich feuchten Luftströmungen in Form der Primärluft und der Sekundärluft ist es möglich, ein Brennstoffzellensystem selektiv bzw. bereichsweise mit besonders feuchter oder besonders trockener Luft zu beströmen und, dadurch bedingt, die Betriebsbedingungen in jeweiligen Bereichen des Brennstoffzellensystems, insbesondere jeweiligen Bereichen einer jeweiligen Brennstoffzelle, einzustellen. By generating two differently humid air flows in the form of primary air and secondary air, it is possible to flow a fuel cell system selectively or in certain areas with particularly humid or particularly dry air and, as a result, to change the operating conditions in the respective areas of the fuel cell system, in particular respective areas a respective fuel cell.
Es kann vorgesehen sein, dass die Primärleitung und die Sekundärleitung getrennt voneinander zu mindestens einem Versorgungsanschluss des Brennstoffzellensystems führen. Provision can be made for the primary line and the secondary line to lead separately from one another to at least one supply connection of the fuel cell system.
Um eine Durchmischung von Primärluft und Sekundärluft zu verhindern, können die Primärleitung und die Sekundärleitung auch im Bereich hinter dem Befeuchter des vorgestellten Befeuchtungssystems fortgeführt werden. Bei einer Verwendung eines kurzen Versorgungsanschlusses mit einer Länge von bspw. kleiner 500 mm findet eine Durchmischung von Primärluft und Sekundärluft in dem Versorgungsanschluss nur bedingt statt, sodass lokal noch unterschiedliche Feuchten vorliegen, es aber einen fließenden Übergang der Feuchten und keine Stufe zwischen den jeweiligen Feuchten gibt. Auch durch eine wasserdampf durchlässige Membran kann eine Glättung eines Feuchtesprungs erreicht werden. In order to prevent primary air and secondary air from mixing, the primary line and the secondary line can also be continued in the area behind the humidifier of the humidification system presented. When using a short supply connection with a length of less than 500 mm, for example, primary air and secondary air are only mixed to a limited extent in the supply connection, so that there are still different humidities locally, but there is a smooth transition of the humidities and no step between the respective humidities are. A moisture jump can also be smoothed out by a membrane that is permeable to water vapor.
Alternativ kann auch ein zum Verbinden mit der Primärleitung und der Sekundärleitung konfigurierter Versorgungsanschluss verwendet werden, der bspw. besonders lang, insbesondere mit einer Länge von größer 500 mm aufgebaut ist und ggf. in seinem Inneren eine Trennung in zwei Gaskanäle aufweist. Alternatively, a supply connection configured for connecting to the primary line and the secondary line can also be used, which is particularly long, in particular with a length of more than 500 mm, and possibly has a separation into two gas channels in its interior.
Es kann vorgesehen sein, dass die Primärleitung und die Sekundärleitung dazu konfiguriert sind, mit einem gemeinsamen Versorgungsanschluss zur Versorgung des Brennstoffzellensystems mit Luft verbunden zu werden. Um mit einem gemeinsamen Versorgungsanschluss verbunden zu werden, können die Primärleitung und die Sekundärleitung in einem Verbindungsstück zum Verbinden mit dem Versorgungsanschluss zusammenlaufen. Dabei kann in dem Verbindungsstück eine Trennung, wie bspw. eine Wand oder eine für Wasserdampf durchlässige Membran angeordnet sein, um eine Durchmischung von Primärluft und Sekundärluft zu verhindern oder zu regulieren. Provision can be made for the primary line and the secondary line to be configured to be connected to a common supply connection for supplying the fuel cell system with air. In order to be connected to a common service port, the primary line and the secondary line may converge in a connector for connection to the service port. A partition, such as a wall or a membrane permeable to water vapor, can be arranged in the connecting piece in order to prevent or regulate the mixing of primary air and secondary air.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Primärleitung dazu konfiguriert ist, mit einem Primäranschluss des Brennstoffzellensystems und die Sekundärleitung dazu konfiguriert ist, mit einem Sekundäranschluss des Brennstoffzellensystems zur Versorgung des Brennstoffzellensystems mit Luft verbunden zu werden. It can furthermore be provided that the primary line is configured to be connected to a primary connection of the fuel cell system and the secondary line is configured to be connected to a secondary connection of the fuel cell system in order to supply the fuel cell system with air.
Um mit getrennten Versorgungsanschlüssen eines Brennstoffzellensystems verbunden zu werden, können die Primärleitung und die Sekundärleitung jeweils an ihrem Ende ein Anschlussstück aufweisen. Das Anschlussstück kann dazu konfiguriert sein, eine Strömungsdynamik in dem entsprechenden Versorgungsanschluss vorzugeben, um bspw. eine turbulente Strömung oder eine laminare Strömung in dem entsprechenden Versorgungsanschluss zu erzeugen. Dazu kann das Anschlussstück bspw. linear oder radial gekrümmt ausgestaltet sein. In order to be connected to separate supply connections of a fuel cell system, the primary line and the secondary line can each have a connecting piece at their end. The fitting may be configured to provide flow dynamics in the corresponding supply port, to create, for example, turbulent flow or laminar flow in the corresponding supply port. For this purpose, the connection piece can be configured, for example, in a linear or radially curved manner.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Befeuchter dazu konfiguriert ist, an jeweiligen Versorgungsanschlüssen des Brennstoffzellensystems angeordnet zu werden und die Versorgungsanschlüsse über eine Vielzahl von integrierten Primärluftleitungen mit Luft zu versorgen. Provision can furthermore be made for the humidifier to be configured to be arranged at the respective supply connections of the fuel cell system and to supply the supply connections with air via a multiplicity of integrated primary air lines.
Durch eine Anordnung des Befeuchters an jeweiligen Versorgungsanschlüssen können die Versorgungsanschlüsse als Luftleitungen wirken und Primärluft und/oder Sekundärluft transportieren. By arranging the humidifier on respective supply connections, the supply connections can act as air lines and transport primary air and/or secondary air.
Es kann vorgesehen sein, dass jeweilige Primärluftleitungen der Vielzahl Primärluftleitungen in ihrem Querschnitt und/oder ihrer Anzahl derart gewählt sind, dass sich in dem Brennstoffzellensystem ein vorgegebenes Beströmungsmuster einstellt. Je nach Ausgestaltung des Befeuchters können in dem Befeuchter vorhandene Kapillarröhrchen derart ausgestaltet sein, dass sich in den Luftleitungen ein vorgegebenes Befeuchtungsmuster einstellt. Bspw. kann eine Anzahl erster Kapillarröhrchen besonders dick ausgestaltet sein, um einen hohen Feuchtigkeitseintrag in die ersten Kapillarröhrchen umströmende Luft zu erzeugen, während eine Anzahl zweiter Kapillarröhrchen besonders dünn ausgestaltet sein kann, um einen niedrigen bzw. gegenüber den ersten Kapillarröhrchen weniger starken Feuchtigkeitseintrag zu erzeugen. It can be provided that the cross section and/or the number of the respective primary air lines of the plurality of primary air lines are selected such that a predetermined flow pattern is established in the fuel cell system. Depending on the design of the humidifier, the capillary tubes present in the humidifier can be designed in such a way that a predetermined humidification pattern is established in the air lines. For example, a number of first capillary tubes can be made particularly thick in order to generate a high level of moisture ingress into the air flowing around the first capillary tubes, while a number of second capillary tubes can be made particularly thin in order to generate a low or, compared to the first capillary tube, less moisture ingress .
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Befeuchtungssystem eine Mischkammer zum Mischen von aus der Primärleitung und der Sekundärleitung strömender Luft umfasst. Provision can furthermore be made for the humidification system to comprise a mixing chamber for mixing air flowing out of the primary line and the secondary line.
Um nicht nur einen Primärluftstrom und einen Sekundärluftstrom, sondern mindestens einen weiteren Luftstrom zu erzeugen, kann eine Mischkammer verwendet werden, in die Primärluft und Sekundärluft eingeleitet wird und aus der eine Mischform, also Tertiärluft, ausgeleitet wird. Entsprechend kann ein Brennstoffzellensystem lediglich mit der Tertiärluft oder mit Primärluft, Sekundärluft und Tertiärluft beströmt werden. In order to generate not only a primary air flow and a secondary air flow, but at least one additional air flow, a mixing chamber can be used, into which primary air and secondary air are introduced and from which a mixed form, i.e. tertiary air, is discharged. Accordingly, only tertiary air or primary air, secondary air and tertiary air can flow through a fuel cell system.
In Abhängigkeit eines Verhältnisses von in die Mischkammer eingeleiteter Primärluft und Sekundärluft verändert sich eine Feuchtigkeit der Tertiärluft. Entsprechend kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis, bspw. durch zumindest bereichsweises Verschließen der Primärleitung und/oder der Sekundärleitung dynamisch, bspw. in Abhängigkeit eines Zustands des zu beströmenden Brennstoffzellensystems angepasst wird. A humidity of the tertiary air changes depending on a ratio of primary air and secondary air introduced into the mixing chamber. Accordingly, provision can be made for the ratio to be dynamically adjusted, for example by at least partially closing the primary line and/or the secondary line, for example as a function of a state of the fuel cell system to which flow is to be applied.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Primärleitung, die Sekundärluftleitung und die Mischkammer jeweils dazu konfiguriert sind, mit einem Versorgungsanschluss des Brennstoffzellensystems verbunden zu werden. It can furthermore be provided that the primary line, the secondary air line and the mixing chamber are each configured to be connected to a supply connection of the fuel cell system.
Durch Verwendung dreier separater Anschlüsse kann ein sehr fein abgestuftes Einstellen einer Befeuchtung eines Brennstoffzellensystems unter Verwendung von drei verschiedenen Luftströmen erfolgen. Dabei kann vorgesehen sein, dass jeweilige Anschlüsse bereichsweise und/oder zeitweise verschlossen werden, um die Verteilung der Befeuchtung in dem Brennstoffzellensystem einzustellen. By using three separate connections, humidification of a fuel cell system can be adjusted very finely using three different air flows. It can be provided that respective connections are partially and / or temporarily closed in order to adjust the distribution of humidification in the fuel cell system.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Befeuchter im Kreuzstromprinzip aufgebaut ist, dass an dem Befeuchter eine Vielzahl Primärleitungen angeordnet sind, und dass der Befeuchter dazu konfiguriert ist, jeweilige Primärleitungen mit jeweiligen Strömen an Primärluft zu beströmen deren relative Luftfeuchtigkeit sich voneinander unterscheidet. It can also be provided that the humidifier is constructed according to the cross-flow principle, that a large number of primary lines are arranged on the humidifier, and that the humidifier is configured to flow respective primary lines with respective streams of primary air whose relative humidity differs from one another.
Durch Verwendung eines im Kreuzstromprinzip aufgebauten Befeuchters bildet sich am Ausgang des Befeuchters ein Feuchtegradient über dessen Länge ab. Wird aus dem Befeuchter ausströmende Luft über mehrere Primärleitungen, wie bspw. Rohre, die nebeneinander an dem Befeuchter angeordnet sind, abgenommen, steht eine Vielzahl unterschiedlich feuchter Primärluftströmungen zur separaten Zufuhr zu einem Brennstoffzellensystem zur Verfügung. Dabei kann vorgesehen sein, dass jeweils nur eine Primärleitung oder eine Auswahl von Primärleitungen mit einem Brennstoffzellensystem verbunden wird, indem bspw. ein Wegeventil oder eine Klappensteuerung entsprechend eingestellt wird. By using a humidifier constructed according to the cross-flow principle, a humidity gradient forms at the outlet of the humidifier over its length. If the air flowing out of the humidifier is taken off via a number of primary lines, such as pipes, which are arranged next to one another on the humidifier, a large number of primary air flows with different levels of humidity are available for separate supply to a fuel cell system. Provision can be made for only one primary line or a selection of primary lines to be connected to a fuel cell system, for example by setting a directional control valve or a flap control accordingly.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Primärluftleitung dazu konfiguriert ist, einen Heißbereich des Brennstoffzellensystems mit Luft zu beströmen und die Sekundärluftleitung dazu konfiguriert ist, einen Kaltbereich des Brennstoffzellensystems mit Luft zu beströmen. Provision can furthermore be made for the primary air line to be configured to flow air through a hot region of the fuel cell system and for the secondary air line to be configured to flow air through a cold region of the fuel cell system.
Durch eine selektive Beströmung eines Heißbereichs, also eines Bereichs mit einer gegenüber einem Kaltbereich höheren Temperatur, mit Primärluft wird aufgrund des hohen Feuchtigkeitseintrags eine Kühlwirkung und eine Befeuchtungswirkung erzielt, die in Kombination mit einer selektiven Versorgung eines Kaltbereichs durch Sekundärluft zu einer homogen Wärme- und Feuchtigkeitsverteilung in einem entsprechenden Brennstoffzellensystem führt. By selectively flowing primary air into a hot area, i.e. an area with a higher temperature than a cold area, a cooling effect and a humidification effect is achieved due to the high moisture input, which in combination with a selective supply of a cold area with secondary air results in a homogeneous heat and moisture distribution in a corresponding fuel cell system.
In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Befeuchtungssystems. Es kann vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem einen Primäranschuss zum Verbinden mit der Primärleitung und einen Sekundäranschluss zum Verbinden mit der Sekundärleitung umfasst, und dass der Primäranschuss und der Sekundäranschluss als Sammelleitung mit einer für wasserdampf-durchlässigen Membran ausgestaltet sind. In a second aspect, the presented invention relates to a fuel cell system with a possible embodiment of the presented humidification system. It can be provided that the fuel cell system comprises a primary connection for connection to the primary line and a secondary connection for connection to the secondary line, and that the primary connection and the secondary connection are designed as a collecting line with a membrane permeable to water vapor.
Um einen graduellen Übergang zwischen der Primärluft und der Sekundärluft zu erreichen bzw. einen stufenförmigen Übergang der verschiedenen Feuchtigkeitseinträge in das Brennstoffzellensystem zu vermeiden, eignet sich eine wasserdampf-durchlässige Membran, die zu einer kontrollierten und lediglich teilweisen Durchmischung von Primärluft und Sekundärluft führt. In order to achieve a gradual transition between the primary air and the secondary air or to avoid a gradual transition of the various moisture inputs into the fuel cell system, a water vapor-permeable membrane is suitable, which leads to a controlled and only partial mixing of primary air and secondary air.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem mehrere Ausgangsleitungen zum Ausblasen von durch das Brennstoffzellensystem erwärmter Luft umfasst, wobei die Ausgangsleitungen eine Anzahl Primärauslässe und eine Anzahl Sekundärauslässe umfassen, und wobei lediglich die Anzahl Primärauslässe fluidleitend mit dem Befeuchter verbunden ist. Provision can furthermore be made for the fuel cell system to comprise a plurality of outlet lines for blowing out air heated by the fuel cell system, the outlet lines comprising a number of primary outlets and a number of secondary outlets, and only the number of primary outlets being fluidly connected to the humidifier.
Durch erste und zweite Ausgangsleitungen verursacht der Befeuchter bei kleiner Flussrate einen geringeren Druckverlust, wobei ein totaler Wassergehalt aufgrund des höheren Temperaturniveaus geringfügig kleiner ist als bei Verwendung einer zentralen Ausgangsleitung. Due to the first and second outlet lines, the humidifier causes a lower pressure loss at a low flow rate, with a total water content being slightly smaller than when using a central outlet line due to the higher temperature level.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Befeuchtungssystems, FIG. 1 shows a possible embodiment of the humidification system according to the invention,
Figur 2 eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, FIG. 2 shows a possible embodiment of the fuel cell system according to the invention,
Figur 3 eine mögliche Ausgestaltung eines Befeuchters des erfindungsgemäßen Befeuchtungssystems. In Figur 1 ist ein Befeuchtungssystem 100 dargestellt. Das Befeuchtungssystem umfasst einen Befeuchter 101 zum Befeuchten von Luft, eine Primärleitung 103 und eine Sekundärleitung 105. FIG. 3 shows a possible embodiment of a humidifier of the humidifying system according to the invention. A humidification system 100 is shown in FIG. The humidification system comprises a humidifier 101 for humidifying air, a primary line 103 and a secondary line 105.
Die Primärleitung 103 ist mit dem Befeuchter 101 verbunden, sodass in die Primärleitung strömende Luft in den Befeuchter 101 geleitet und dort befeuchtet wird. The primary line 103 is connected to the humidifier 101 so that air flowing into the primary line is guided into the humidifier 101 and humidified there.
Die Sekundärleitung 105 führt um den Befeuchter 101 herum, sodass in die Sekundärleitung strömende Luft nicht durch den Befeuchter befeuchtet wird. The secondary line 105 goes around the humidifier 101 so that air flowing into the secondary line is not humidified by the humidifier.
Nach dem Befeuchter 101 verlaufen die Primärleitung 103 und die Sekundärleitung 105 getrennt voneinander zu einer optionalen Mischkammer 107. Entsprechend wird durch die Primärleitung befeuchtete Primärluft und durch die Sekundärleitung nicht befeuchtete bzw. relativ zu der Primärluft trockene Sekundärluft in die Mischkammer 107 eingeblasen. After the humidifier 101, the primary line 103 and the secondary line 105 run separately from one another to an optional mixing chamber 107. Accordingly, primary air humidified through the primary line and secondary air that is not humidified or is dry relative to the primary air is blown into the mixing chamber 107 through the secondary line.
In der Mischkammer 107 entsteht ein Gemisch aus Primärluft und Sekundärluft, das im Folgenden als Tertiärluft bezeichnet wird. A mixture of primary air and secondary air is produced in the mixing chamber 107, which is referred to below as tertiary air.
Um ein Brennstoffzellensystem mit Luft zu versorgen, werden ein Ausgang der Primärleitung, ein Ausgang der Sekundärleitung und ein Ausgang der Mischkammer mit jeweiligen Versorgungsanschlüssen der Brennstoffzellensystems verbunden, sodass das Brennstoffzellensystem mit Primärluft, mit Sekundärluft und mit Tertiärluft beströmt wird. In order to supply air to a fuel cell system, an outlet of the primary line, an outlet of the secondary line and an outlet of the mixing chamber are connected to respective supply connections of the fuel cell system, so that the fuel cell system is supplied with primary air, secondary air and tertiary air.
Durch die Konfiguration der Versorgungsanschlüsse des Brennstoffzellensystems können ausgewählte Bereiche des Brennstoffzellensystems mit Luft beströmt werden, wie es in Figur 2 detailliert dargestellt ist. The configuration of the supply connections of the fuel cell system allows air to flow through selected areas of the fuel cell system, as is shown in detail in FIG.
Figur 2 zeigt ein Brennstoffzellensystem 200 mit einem Primäranschluss 201, der durch die Primärleitung 103, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, mit Primärluft versorgt wird und einem Sekundäranschluss 203, der durch die Sekundärleitung 105, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, mit Sekundärluft versorgt wird. Entsprechend strömt durch den Primäranschluss 201 feuchtere Luft als durch den Sekundäranschluss 203. Figure 2 shows a fuel cell system 200 with a primary connection 201, which is supplied with primary air through the primary line 103, as shown in Figure 1, and a secondary connection 203, which is supplied with secondary air through the secondary line 105, as shown in Figure 1 is supplied. Accordingly, more humid air flows through the primary connection 201 than through the secondary connection 203.
Weiterhin umfasst das Brennstoffzellensystem 200 eine Bipolarplatte 205. Vorliegend wird die Bipolarplatte 205 in einer sog. Cross- Flow Spezifikation mit Betriebsmedien versorgt, sodass Wasserstoff von einem Wasserstoffeinlass 207 zu einem Wasserstoffauslass 209 und Kühlmittel von einem Kühlmitteleinlass 211 zu einem Kühlmittelauslass 213 strömt. Aufgrund der Cross- Flow Spezifikation ergibt sich im oberen Teil der Bipolarplatte 205 ein eher warmer/heißer Bereich, wie durch einen ersten Pfeil 215 angedeutet, während ein unterer Bereich, wie durch einen zweiten Pfeil 217 angedeutet, eher kühl ist. Furthermore, the fuel cell system 200 includes a bipolar plate 205. In the present case, the bipolar plate 205 is supplied with operating media in a so-called cross-flow specification, so that hydrogen flows from a hydrogen inlet 207 to a hydrogen outlet 209 and coolant from a coolant inlet 211 to a coolant outlet 213. Due to the cross-flow specification, a rather warm/hot area results in the upper part of the bipolar plate 205, as indicated by a first arrow 215, while a lower area, as indicated by a second arrow 217, is rather cool.
Um ein bereichsweises Austrocknen bzw. ein bereichsweises Fluten des Brennstoffzellensystems 200 zu verhindern, wird der Warmbereich, mit feuchter Primärluft aus dem Primäranschluss 201 beströmt, wohingegen der Kaltbereich mit trockener Sekundärluft aus dem Sekundäranschluss 203 beströmt wird. Entsprechend bewirkt die feuchtere Primärluft eine stärkere Befeuchtung des Warmbereichs, als die trockenere und entfeuchtend wirkende Sekundärluft in dem Kaltbereich. In order to prevent areas of the fuel cell system 200 from drying out or being flooded in some areas, moist primary air from the primary connection 201 flows through the warm area, whereas dry secondary air from the secondary connection 203 flows through the cold area. Accordingly, the wetter primary air humidifies the warm area to a greater extent than the drier secondary air, which has a dehumidifying effect, in the cold area.
Dadurch bedingt, dass lediglich der Warmbereich mit Luft befeuchtet wird, die von dem Befeuchter 101 befeuchtet wurde, verschmälert sich ein Feuchtebereich des Brennstoffzellensystems 200 gegenüber einem Aufbau ohne das Befeuchtungssystem 100. Entsprechend reduziert sich ein Wasserverbrauch des Brennstoffzellensystems gegenüber einem Brennstoffzellensystem ohne das Befeuchtungssystem 100. Due to the fact that only the warm area is humidified with air that was humidified by the humidifier 101, a humid area of the fuel cell system 200 narrows compared to a structure without the humidification system 100. Accordingly, the water consumption of the fuel cell system is reduced compared to a fuel cell system without the humidification system 100.
Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner einen Primärauslass 219, der mit dem Befeuchter 101 verbunden ist, um feuchte Abluft des Brennstoffzellensystem 200 dem Befeuchter 101 zuzuführen, und einen Sekundärauslass 221, der verbrauchte Luft in eine Umgebung abführt. Der Primärauslass 219 und der Sekundärauslass 221 können optional in einem gemeinsamen Auslassrohr 223 ausgebildet sein, das durch eine wasserdampf durchlässige Membran 225 in zwei Bereiche geteilt ist. Selbstverständlich kann das Brennstoffzellensystem 200 auch in einer sog. Co- Flow oder einer Counter- Flow Spezifikation ausgestaltet sein. The fuel cell system further includes a primary outlet 219 that is connected to the humidifier 101 to supply moist exhaust air from the fuel cell system 200 to the humidifier 101, and a secondary outlet 221 that discharges used air to an environment. The primary outlet 219 and the secondary outlet 221 can optionally be formed in a common outlet tube 223 which is divided into two areas by a water vapor permeable membrane 225 . Of course, the fuel cell system 200 can also be configured in a so-called co-flow or counter-flow specification.
In Figur 3 ist ein Befeuchter 300 dargestellt, der in einem Kreuzstromprinzip aufgebaut ist. Dabei wird von einem Brennstoffzellenstapel ausgestoßene feuchte Luft durch erste Einlässe, wie durch Pfeile 301 angedeutet, in den Befeuchter 300 geleitet und durch erste Auslässe, wie durch Pfeile 303 angedeutet, als Abluft aus dem Befeuchter 300 geleitet. FIG. 3 shows a humidifier 300 which is constructed according to a cross-flow principle. Moist air discharged from a fuel cell stack is conducted into the humidifier 300 through first inlets, as indicated by arrows 301 , and conducted as exhaust air out of the humidifier 300 through first outlets, as indicated by arrows 303 .
Trockene Umgebungsluft wird durch Primärleitungen, wie durch Pfeile 305 angedeutet, in den Befeuchter 300 geleitet und durch weitere Primärleitungen, wie durch Pfeile 307 angedeutet, als Primärluft zu dem Brennstoffzellenstapel geleitet. Ambient dry air is routed through primary lines, as indicated by arrows 305, into the humidifier 300 and through other primary lines, as indicated by arrows 307, as primary air to the fuel cell stack.
Ein Verlauf 309 zeigt schematisch eine Verteilung einer relativen Luftfeuchte von durch die weiteren Primärleitungen strömender Primärluft. Entsprechend leiten an einem oberen Rand des Befeuchters 300 angeordnete Primärleitungen besonders feuchte Primärluft, während an einem unteren Rand des Befeuchters angeordnete Primärleitungen relativ trockene Primärluft leiten. A curve 309 schematically shows a distribution of a relative humidity of primary air flowing through the further primary lines. Accordingly, primary ducts located at an upper edge of the humidifier 300 conduct primary air that is particularly moist, while primary ducts located at a lower edge of the humidifier conduct relatively dry primary air.
Die Verteilung der relativen Luftfeuchte in den verschiedenen Primärleitungen kann dazu verwendet werden, ausgewählte Bereiche eines Brennstoffzellensystems mit einer exakt vorgegebenen Luftfeuchtigkeit zu beströmen, um eine spezifische Kühlleistung bzw. eine spezifische Befeuchtungsleistung für einen jeweiligen ausgewählten Bereich bereitzustellen. The distribution of the relative air humidity in the various primary lines can be used to flow selected areas of a fuel cell system with an exactly specified air humidity in order to provide a specific cooling capacity or a specific humidification capacity for a respective selected area.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Befeuchtungssystem (100) für ein Brennstoffzellensystem (200), wobei das Befeuchtungssystem (100) umfasst: 1. humidification system (100) for a fuel cell system (200), wherein the humidification system (100) comprises:
- einen Befeuchter (101, 300) zum Befeuchten von dem- a humidifier (101, 300) for humidifying the
Brennstoffzellensystem (200) zuzuführender Luft, Fuel cell system (200) to be supplied air,
- eine Primärleitung (103), und - a primary line (103), and
- eine Sekundärleitung (105), wobei die Primärleitung (103) dazu konfiguriert ist, Luft in den Befeuchter (101) zu leiten, wobei die Sekundärleitung (105) dazu konfiguriert ist, Luft um den Befeuchter (101) herum zu leiten, und wobei das Befeuchtungssystem (100) dazu konfiguriert ist, das Brennstoffzellensystem (200) mit einer ersten Luftmenge aus der Primärleitung (103), die eine erste relative Luftfeuchte aufweist und mit einer zweiten Luftmenge aus der Sekundärleitung (105), die eine zweite, von der ersten Luftfeuchte verschiedene relative Luftfeuchte aufweist, zu beströmen. - a secondary duct (105), the primary duct (103) being configured to direct air into the humidifier (101), the secondary duct (105) being configured to direct air around the humidifier (101), and wherein the humidification system (100) is configured to supply the fuel cell system (200) with a first amount of air from the primary line (103), which has a first relative humidity, and with a second amount of air from the secondary line (105), which has a second, different from the first Humidity has different relative humidity to flow.
2. Befeuchtungssystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärleitung (103) und die Sekundärleitung (105) getrennt voneinander zu mindestens einem Versorgungsanschluss (201, 203) des Brennstoffzellensystems (200) führen. 2. humidification system (100) according to claim 1, characterized in that the primary line (103) and the secondary line (105) lead separately to at least one supply connection (201, 203) of the fuel cell system (200).
3. Befeuchtungssystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärleitung (103) und die Sekundärleitung (105) dazu konfiguriert sind, mit einem gemeinsamen Versorgungsanschluss zur Versorgung des Brennstoffzellensystems (200) mit Luft verbunden zu werden. 3. Humidification system (100) according to claim 1 or 2, characterized in that the primary line (103) and the secondary line (105) are configured to be connected to a common supply connection for supplying the fuel cell system (200) with air.
4. Befeuchtungssystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärleitung (103) dazu konfiguriert ist, mit einem Primäranschluss (201) des Brennstoffzellensystems (200) und die Sekundärleitung (105) dazu konfiguriert ist, mit einem Sekundäranschluss (203) des Brennstoffzellensystems (200) zur Versorgung des Brennstoffzellensystems (200) mit Luft verbunden zu werden. 4. Humidification system (100) according to claim 1 or 2, characterized in that the primary line (103) is configured to be connected to a primary connection (201) of the fuel cell system (200) and the secondary line (105) is configured to be connected to a secondary connection ( 203) of the fuel cell system (200) for supplying the fuel cell system (200) with air.
5. Befeuchtungssystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Befeuchter (101, 300) dazu konfiguriert ist, an jeweiligen Versorgungsanschlüssen (201, 203) des Brennstoffzellensystems (200) angeordnet zu werden und die Versorgungsanschlüsse (201, 203) über eine Vielzahl von integrierten Primärluftleitungen (103) mit Luft zu versorgen. 5. Humidification system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the humidifier (101, 300) is configured to be arranged at respective supply connections (201, 203) of the fuel cell system (200) and the supply connections (201, 203 ) via a large number of integrated primary air lines (103) with air.
6. Befeuchtungssystem (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweilige Primärluftleitungen (103) der Vielzahl Primärluftleitungen (103) in ihrem Querschnitt und/oder ihrer Anzahl derart gewählt sind, dass sich in dem Brennstoffzellensystem (200) ein vorgegebenes Beströmungsmuster einstellt. 6. Humidification system (100) according to claim 5, characterized in that the respective primary air lines (103) of the plurality of primary air lines (103) are selected in terms of their cross section and/or their number such that a predetermined flow pattern is set in the fuel cell system (200).
7. Befeuchtungssystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befeuchtungssystem (100) eine Mischkammer (107) zum Mischen von aus der Primärleitung (103) und der Sekundärleitung (105) strömender Luft umfasst. 7. humidification system (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that the humidification system (100) comprises a mixing chamber (107) for mixing from the primary line (103) and the secondary line (105) flowing air.
8. Befeuchtungssystem (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärleitung (103), die Sekundärluftleitung (105) und die Mischkammer (107) jeweils dazu konfiguriert sind, mit einem Versorgungsanschluss (201, 203) des Brennstoffzellensystems (200) verbunden zu werden. 8. Humidification system (100) according to claim 7, characterized in that the primary line (103), the secondary air line (105) and the mixing chamber (107) are each configured to be connected to a supply connection (201, 203) of the fuel cell system (200). to become.
9. Befeuchtungssystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Befeuchter (300) im Kreuzstromprinzip aufgebaut ist, dass an dem Befeuchter (300) eine Vielzahl Primärleitungen (105) angeordnet sind, und dass der Befeuchter (300) dazu konfiguriert ist, jeweilige Primärleitungen (105) mit jeweiligen Strömen an Primärluft zu beströmen deren relative Luftfeuchtigkeit sich voneinander unterscheidet. 9. humidification system (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that the humidifier (300) is constructed according to the cross-flow principle, that a plurality of primary lines (105) are arranged on the humidifier (300), and that the humidifier (300) to is configured to flow respective primary lines (105) with respective flows of primary air whose relative humidity differs from one another.
10. Befeuchtungssystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärluftleitung (103) dazu konfiguriert ist, einen Heißbereich des Brennstoffzellensystems (200) mit Luft zu beströmen und die Sekundärluftleitung (105) dazu konfiguriert ist, einen Kaltbereich des Brennstoffzellensystems (200) mit Luft zu beströmen. 10. humidification system (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that the primary air line (103) is configured to flow a hot area of the fuel cell system (200) with air and the secondary air line (105) is configured to a cold area of the fuel cell system (200) to flow with air.
11. Brennstoffzellensystem (200) mit einem Befeuchtungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10. 11. Fuel cell system (200) with a humidification system (100) according to any one of claims 1 to 10.
12. Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (200) einen Primäranschuss (201) zum Verbinden mit der Primärleitung (103) und ein Sekundäranschluss (203) zum Verbinden mit der Sekundärleitung (105) umfasst, und dass der Primäranschuss (201) und der Sekundäranschluss (203) als Sammelleitung (223) mit einer für wasserdampf-durchlässigen Membran (225) ausgestaltet sind. 12. Fuel cell system (200) according to claim 11, characterized in that the fuel cell system (200) comprises a primary connection (201) for connecting to the primary line (103) and a secondary connection (203) for connecting to the secondary line (105), and that the primary connection (201) and the secondary connection (203) are designed as a collecting line (223) with a membrane (225) permeable to water vapor.
13. Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (200) mehrere Ausgangsleitungen (219, 221) zum Ausblasen von durch das Brennstoffzellensystem (200) erwärmter Luft umfasst, wobei die Ausgangsleitungen (219, 221) eine Anzahl Primärauslässe (219) und eine Anzahl Sekundärauslässe (221) umfassen, wobei lediglich die Anzahl Primärauslässe (219) fluidleitend mit dem Befeuchter (101) verbunden ist. 13. Fuel cell system (200) according to claim 11 or 12, characterized in that the fuel cell system (200) comprises a plurality of outlet lines (219, 221) for blowing out air heated by the fuel cell system (200), the outlet lines (219, 221) having a A number of primary outlets (219) and a number of secondary outlets (221), only the number of primary outlets (219) being fluidly connected to the humidifier (101).
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