AT523596A1

AT523596A1 - Preconditioning device for a fuel cell system

Info

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

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorkonditionierungsvorrichtung (10) für ein Vorkonditionieren von einem Kathodenzuführgas in einem Brennstoffzellensystem (100), aufweisend einen Wasserzuführabschnitt (20) für eine Zufuhr von Produktwasser, einen Gaszuführabschnitt (30) für eine Zufuhr des Kathodenzuführgases und eine Vorkonditionierungskammer (40) für eine Verdunstung von Produktwasser in dem Kathodenzuführgas, wobei ein Einspeiseabschnitt (22) vorgesehen ist, der für eine direkte Einspeisung des Produktwassers aus dem Zuführabschnitt (20) in das Kathodenzuführgas in der Vorkonditionierungskammer (40) angeordnet ist, wobei ein Gasabführabschnitt (60) für ein Abführen von vorkonditioniertem Kathodenzuführgas aus der Vorkonditionierungskammer (40) vorgesehen ist. Weiter betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (100) mit einer entsprechen- den Vorkonditionierungsvorrichtung (10) sowie ein Verfahren zur Vorkonditionierung eines Kathodenzuführgases mittels einer entsprechenden Vorkonditionierungsvorrichtung (10) in einem Brennstoffzellensystem (100).The present invention relates to a preconditioning device (10) for preconditioning a cathode feed gas in a fuel cell system (100), comprising a water feed section (20) for a feed of product water, a gas feed section (30) for a feed of the cathode feed gas and a preconditioning chamber (40) for an evaporation of product water in the cathode feed gas, wherein a feed section (22) is provided which is arranged for a direct feed of the product water from the feed section (20) into the cathode feed gas in the preconditioning chamber (40), a gas discharge section (60) for a discharge of preconditioned cathode feed gas from the preconditioning chamber (40) is provided. The invention also relates to a fuel cell system (100) with a corresponding preconditioning device (10) and a method for preconditioning a cathode supply gas by means of a corresponding preconditioning device (10) in a fuel cell system (100).

Description

Vorkonditionierungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem Preconditioning device for a fuel cell system

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorkonditionierungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem mit einer entsprechenden Vorkonditionierungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Vorkonditionierung eines Kathodenzuführgases mittels einer entsprechenden Vorkonditionierungsvorrichtung in einem The present invention relates to a preconditioning device for a fuel cell system, a fuel cell system with a corresponding preconditioning device and a method for preconditioning a cathode supply gas by means of a corresponding preconditioning device in one

Brennstoffzellensystem. Fuel cell system.

In der Regel wird bei einem Brennstoffzellensystem das Zuführgas verdichtet, d.h. Luft wird durch einen Kompressor aus der Atmosphäre angesaugt und unter einem Förderdruck verdichtet in das Brennstoffzellensystem eingeleitet. Im Zuge der Verdichtung erhöht sich eine Temperatur der eingeleiteten Luft in Bezug zu einer Temperatur der Luft vor dem Ansaugen aus der Atmosphäre. Eine Wärmeausdehnung der Luft bzw. des Zuführgases wirkt der Erzielung einer höheren volumenbezogenen Gasdichte entgegen, d.h. eine Effizienz der gewünschten Verdichtung des Zuführgases durch den Einsatz des Kompressors wird durch den resultierenden Temperatur-In a fuel cell system, the feed gas is usually compressed, i.e. air is sucked in from the atmosphere by a compressor and compressed into the fuel cell system under a delivery pressure. In the course of the compression, a temperature of the air introduced increases in relation to a temperature of the air before it is sucked in from the atmosphere. A thermal expansion of the air or the supply gas counteracts the achievement of a higher volume-related gas density, i.e. the efficiency of the desired compression of the supply gas through the use of the compressor is achieved by the resulting temperature

anstieg beeinträchtig. increase impaired.

Aus Brennstoffzellensystemen ist es daher bekannt, das Zuführgas im Nachgang zu der Verdichtung durch einen Wärmetauscher bzw. Intercooler wieder herunter zu kühlen, um das Zuführgas auf eine für den Prozess in der Brennstoffzelle optimierte Temperatur bzw. volumenbezogene Gasdichte zu bringen. Ebenfalls ist es bekannt, das Zuführgas vor einem Zuführen an der Kathode einer Brennstoffzelle durch einen Befeuchter bzw. Verdampfer zu befeuchten, um das Zuführgas auf einen für den Prozess in der Brennstoffzelle optimierten Feuchtigkeitsgehalt zu bringen. Üblicherweise erfolgt die Befeuchtung mittels einer Membran, über welche die Feuchtigkeit in den Gasstrom eingebracht wird. Dazu kann Feuchtigkeit aus dem Kathodenabführgas genutzt werden. Auch eine aktive Zufuhr von gesammeltem Produktwasser oder It is therefore known from fuel cell systems to cool the feed gas down again after the compression by a heat exchanger or intercooler in order to bring the feed gas to a temperature or volume-related gas density that is optimized for the process in the fuel cell. It is also known to humidify the feed gas by means of a humidifier or evaporator before it is fed to the cathode of a fuel cell, in order to bring the feed gas to a moisture content that is optimized for the process in the fuel cell. Usually, the humidification takes place by means of a membrane through which the moisture is introduced into the gas flow. Moisture from the cathode discharge gas can be used for this purpose. Also an active supply of collected product water or

extern bereitgestelltem Wasser ist möglich. externally provided water is possible.

Bei den genannten Konzepten mit einer Membran besteht ein Nachteil, dass die Membran für einen effektiven Austausch einen großen Anteil eines Strömungsquerschnitts in einem Gasstrom einnimmt bzw. blockiert, wodurch eine volumetrische Fördereffizienz des entsprechenden Gasstroms beeinträchtigt wird und somit ein Druckverlust entsteht. Die hohe notwendige Membranfläche führt auch zu einem In the above-mentioned concepts with a membrane, there is a disadvantage that the membrane takes up or blocks a large proportion of a flow cross-section in a gas flow for an effective exchange, as a result of which a volumetric pumping efficiency of the corresponding gas flow is impaired and thus a pressure loss occurs. The high membrane area required also leads to a

stoffzellensystems bel. fabric cell system bel.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nach-It is the object of the present invention to provide the above-described

teile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Konzept für eine leistungsfähigere bzw. kostengünstigere Konditionierung eines Zuführgases in einem Brennstoffzellensystem zur Verführung parts to be repaired at least partially. In particular, it is the object of the present invention to provide an alternative concept for more efficient or more cost-effective conditioning of a feed gas in a fuel cell system for seduction

zu stellen. to deliver.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Vorkonditionierungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 18. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorkonditionierungsvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets The above object is achieved by a preconditioning device with the features of claim 1, a fuel cell system with the features of claim 12 and a method with the features of claim 18. Further features and details of the invention emerge from the dependent claims, the description and the drawings . Features and details that are described in connection with the preconditioning device according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system according to the invention and the method according to the invention and in each case vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention always applies

wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. is or can be mutually referenced.

Erfindungsgemäß ist eine Vorkonditionierungsvorrichtung für ein Vorkonditionieren von einem Kathodenzuführgas in einem Brennstoffzellensystem vorgesehen. Hierfür weist die Vorkonditionierungsvorrichtung einen Wasserzuführabschnitt für eine Zufuhr von Produktwasser und einen Gaszuführabschnitt für eine Zufuhr des Kathodenzuführgases auf. Die Vorkonditionierungsvorrichtung umfasst eine Vorkonditionierungskammer für eine Verdunstung von Produktwasser in dem Kathodenzuführgas. Weiter ist in der Vorkonditionierungskammer ein Einspeiseabschnitt vorgesehen, für eine direkte Einspeisung des Produktwassers aus dem Zuführabschnitt in das Kathodenzuführgas. Weiter weist eine solche Vorkonditionierungsvorrichtung einen Gasabführabschnitt für ein Abführen von vorkonditioniertem Kathodenzuführgas According to the invention, a preconditioning device is provided for preconditioning a cathode feed gas in a fuel cell system. For this purpose, the preconditioning device has a water supply section for supplying product water and a gas supply section for supplying the cathode supply gas. The preconditioning device comprises a preconditioning chamber for evaporation of product water in the cathode feed gas. Furthermore, a feed section is provided in the preconditioning chamber for direct feeding of the product water from the feed section into the cathode feed gas. Such a preconditioning device also has a gas discharge section for discharging preconditioned cathode supply gas

aus der Vorkonditionierungskammer auf. from the preconditioning chamber.

Erfindungsgemäß baut eine Vorkonditionierungsvorrichtung auf den bekannten Lösungen zur Konditionierung eines Zuführgases, wie insbesondere Luft auf, die in der Regel hinter einem Kompressor einen Wärmetauscher bzw. Intercooler und einen According to the invention, a preconditioning device is based on the known solutions for conditioning a feed gas, such as, in particular, air, which usually have a heat exchanger or intercooler and a heat exchanger behind a compressor

Befeuchter umfassen. Erfindungsgemäß wird eine solche herkömmliche Konditionie-Include humidifiers. According to the invention, such a conventional conditioning

rung eines Zuführgases mit einem Wärmetauscher und einem Befeuchter in einer tion of a feed gas with a heat exchanger and a humidifier in one

Zuführstrecke nun jedoch durch eine Vorkonditionierungsvorrichtung erweitert, oder However, the feed line has now been extended by a preconditioning device, or

im Idealfall durch die Vorkonditionierungsvorrichtung ersetzt. ideally replaced by the preconditioning device.

Wahlweise erfolgt die erfindungsgemäße Vorkonditionierung vorgelagert zu einer herkömmlichen Konditionierung durch einen Wärmetauscher bzw. Intercooler und einen Befeuchter, d.h. sie erfolgt an einer durch einen Kompressor eingeleiteten und Optionally, the preconditioning according to the invention takes place upstream of conventional conditioning by means of a heat exchanger or intercooler and a humidifier, i.e. it takes place on a compressor introduced and

verdichteten Luft. compressed air.

In einer solchen Vorkonditionierungsvorrichtung erfolgt erfindungsgemäß eine Vorkonditionierung eines Kathodenzuführgases bzw. von Luft, durch ein direktes Einspeisen und Verdunsten, vorzugsweise mittels Zerstäubens von Wasser in dem Gasstrom des gegebenenfalls. verdichteten und erwärmten Kathodenzuführgases vorzugsweise unter Verwendung eines aufgefangenen und zugeführten Produktwassers aus einem Brennstoffzellenstapel. Alternativ oder zusätzlich kann auch extern In such a preconditioning device, according to the invention, a cathode feed gas or air is preconditioned by direct feeding and evaporation, preferably by atomizing water in the gas stream, if appropriate. compressed and heated cathode feed gas preferably using a captured and fed product water from a fuel cell stack. Alternatively or additionally it can also be done externally

zugeführtes Wasser hierfür verwendet werden. water supplied can be used for this.

Die Vorkonditionierung nutzt erfindungsgemäß zwei vorteilhafte Wirkungen, die sich mithin zeitgleich innerhalb desselben Bauraums nutzen lassen. Zum einen wird eine Abkühlung eines ggf. verdichteten und erwärmten Gasstroms durch entzogene Verdunstungswärme erzielt. Dabei entspricht eine dem betreffenden Gasstrom entzogene Wärmemenge energetisch der Verdampfungsenthalpie einer verdunsteten Wassermenge des zugeführten Produktwassers. Demzufolge wird eine erforderliche Kühlleistung des nachgelagerten Wärmetauschers reduziert. Ein solcher Wärmetauscher kann damit entweder kleiner ausgebildet werden oder sogar komplett entfallen. According to the invention, the preconditioning uses two advantageous effects which can therefore be used simultaneously within the same installation space. On the one hand, a possibly compressed and heated gas flow is cooled by the evaporation heat removed. In this case, an amount of heat withdrawn from the gas stream in question corresponds energetically to the enthalpy of evaporation of an evaporated amount of water from the supplied product water. As a result, a required cooling capacity of the downstream heat exchanger is reduced. Such a heat exchanger can thus either be made smaller or even omitted completely.

Zum anderen trägt die zugeführte Wassermenge zur Befeuchtung des Zuführgases bei, welche zur Erlangung eines für den Prozess in der Brennstoffzelle optimiert eingestellten Feuchtigkeitsgehalts notwendig ist. Dabei entspricht der resultierende Feuchtigkeitseintrag direkt der verdunsteten Wassermenge des zugeführten Produktwassers. Demzufolge wird eine erforderliche Befeuchtungsleistung des nachgelagerten Befeuchters reduziert. Auch dieser Befeuchter kann damit entweder kleiner On the other hand, the amount of water supplied contributes to the humidification of the supply gas, which is necessary to achieve a moisture content that is optimally set for the process in the fuel cell. The resulting moisture input corresponds directly to the amount of evaporated water from the supplied product water. As a result, a required humidification performance of the downstream humidifier is reduced. This humidifier can also either be smaller

ausgebildet werden oder sogar komplett entfallen. be trained or even completely omitted.

Die erfindungsgemäße Vorkonditionierungsvorrichtung kommt ohne eine Struktur mit einer hohen spezifischen Oberfläche, wie insbesondere ohne eine Faserstruktur mit The preconditioning device according to the invention comes along without a structure with a high specific surface, such as in particular without a fiber structure

Hohlfasern oder dergleichen, und ohne wesentliche Sperrflächen innerhalb eines Hollow fibers or the like, and with no substantial barrier areas within one

Strömungsquerschnitt des betreffenden Gasstroms aus. Demzufolge erzeugt die Flow cross-section of the gas flow in question. As a result, the

Vorkonditionierung im Vergleich zum genannten Stand der Technik einen geringen Preconditioning is low compared to the prior art mentioned

Strömungswiderstand in der Zuführstrecke. Flow resistance in the feed line.

Im Falle einer Erweiterung einer herkömmlichen Konditionierung eines Zuführgases durch die Vorkonditionierungsvorrichtung kann eine Dimensionierung in Bezug auf In the case of an extension of a conventional conditioning of a feed gas by the preconditioning device, a dimensioning with reference to

eine Kapazität des Wärmetauschers und des Befeuchters verringert werden, mithin kann eine Gewichtsreduzierung und Kostenreduzierung in Bezug auf die betreffenden Systemkomponenten erzielt werden. a capacity of the heat exchanger and the humidifier can be reduced, hence a weight reduction and a cost reduction with respect to the relevant system components can be achieved.

Anderenfalls ermöglicht die Erweiterung einer herkömmlichen Konditionierung eines Zuführgases durch die Vorkonditionierungsvorrichtung eine Erhöhung von Kapazitäten zur Konditionierung eines Zuführgases, wodurch zusätzliche Leistungsreserven zur Sicherstellung optimaler Prozessparameter während eines Volllastbetriebs des Otherwise, the expansion of a conventional conditioning of a feed gas by the preconditioning device enables capacities for conditioning a feed gas to be increased, thereby creating additional power reserves to ensure optimal process parameters during full-load operation of the

Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden. Fuel cell system are provided.

Eine erfindungsgemäße Vorkonditionierungsvorrichtung kann zum Beispiel vollständig in einen Kathodenzuführabschnitt eines Brennstoffzellensystems integriert sein A preconditioning device according to the invention can, for example, be completely integrated into a cathode feed section of a fuel cell system

oder diesen zumindest abschnittsweise ausbilden. Der Gaszuführabschnitt und der Gasabführabschnitt bilden die fluudkommunizierenden Schnittstellen zu dem Katho-or train this at least in sections. The gas supply section and the gas discharge section form the fluid-communicating interfaces to the cathode

denzuführabschnitt aus. the feed section.

Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn der Einspeiseabschnitt wenigstens eine Verdunstungs-Einspeisedüse für eine Zerstäubung des Produktwassers in der Vorkonditionierungskammer umfasst. Dabei kann beispielsweise ein Förderdruck an dem Wasserzuführabschnitt angelegt werden, um eine effektive Zerstäubung des Produktwassers zu erzielen. Die Zerstäubung stellt eine erste Variante der erfindungsgemäßen direkten Einspeisung des Produktwassers in den betreffenden Gasstrom dar. Dabei wird ein Sprühnebel in dem Gasstrom aufgenommen, welcher bei der er-It can be advantageous if the feed section comprises at least one evaporation feed nozzle for atomizing the product water in the preconditioning chamber. For example, a delivery pressure can be applied to the water supply section in order to achieve effective atomization of the product water. The atomization represents a first variant of the direct feeding according to the invention of the product water into the gas stream concerned. In this case, a spray mist is absorbed in the gas stream, which is

höhten Temperatur nach einer Verdichtung des Gasstroms besonders gut verdampft. evaporated particularly well after a compression of the gas stream at a higher temperature.

In Falle einer Anordnung von mehreren Verdunstungs-Einspeisedüsen kann eine gegenseitige Ausrichtung innerhalb der Anordnung vorzugsweise facettenartig bzw. im Sinne einer aufgefächerten Anordnung von Blüten eines Blumenstraußes eingestellt sein, sodass sich eine unidirektionale Verteilung des Sprühnebels während der Zerstäubung des Produktwassers in den betreffenden Gasstrom ergibt. In the case of an arrangement of several evaporation feed nozzles, a mutual alignment within the arrangement can preferably be set in a facet-like manner or in the sense of a fanned-out arrangement of flowers of a bouquet, so that a unidirectional distribution of the spray results during the atomization of the product water into the gas flow concerned.

nierungswirkung. nating effect.

Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn zumindest in dem Fall einer einzigen VerdunstungsEinspeisedüse der Auslassquerschnitt des Auslasskegels größer oder gleich einem Strömungsquerschnitt der Vorkonditionierungskammer ist. Dabei kann die Verdunstungs-Einspeisedüse in einem Mittelpunkt des Strömungsquerschnitts der Vorkonditionierungskammer bzw. einer Strömungsachse des betreffenden Gasstroms angeordnet sein. Ein Öffnungswinkel des Auslasskegels ist dann vorzugsweise ausreichend groß gewählt, sodass der Auslassquerschnitt eines stromabwärts gerichteten Auslasskegels bis zu Kammerwänden der Vorkonditionierungskammer reicht, die den betreffenden Gasstrom umgrenzen, und zwar innerhalb einer Strömungsstrecke des Gasstroms, die stromabwärts von der Verdunstungs-Einspeisedüse in der Vorkonditionierungskammer zur Verfügung steht. Dabei wird unter Gewährleistung eines ausreichend großen Förderdrucks, eine annähernd lineare Austrittstrajektorie des zerstäubten Produktwassers in dem Austrittskegel zugrunde gelegt. Die genannte Konfiguration ist je nach Länge der Vorkonditionierungskammer in Strömungsrichtung insbesondere ab einem Öffnungswinkel des Auslasskegels ab 90° oder größer It is also advantageous if, at least in the case of a single evaporation feed nozzle, the outlet cross section of the outlet cone is greater than or equal to a flow cross section of the preconditioning chamber. The evaporation feed nozzle can be arranged in a center point of the flow cross section of the preconditioning chamber or a flow axis of the gas flow in question. An opening angle of the outlet cone is then preferably selected to be sufficiently large so that the outlet cross-section of an outlet cone directed downstream extends to the chamber walls of the preconditioning chamber, which delimit the gas flow in question, namely within a flow path of the gas flow that is downstream of the evaporation feed nozzle in the preconditioning chamber Available. An approximately linear exit trajectory of the atomized product water in the exit cone is used as a basis, while ensuring a sufficiently high delivery pressure. The configuration mentioned is, depending on the length of the preconditioning chamber in the flow direction, in particular from an opening angle of the outlet cone from 90 ° or greater

sicher erzielbar. safely achievable.

Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn eine Auslassachse der wenigstens einen Verdunstungs-Einspeisedüse in einem spitzen Winkel von 0° bis 90° Grad zu einer Strömungsachse des Kathodenzuführgases in die Vorkonditionierungskammer mündet, wobei ein Winkel von 0° eine stromabwärts gerichtete Austrittsachse in einer Strömungsrichtung des Kathodenzuführgases definiert. Durch diese gegenseitige It also has advantages if an outlet axis of the at least one evaporation feed nozzle opens into the preconditioning chamber at an acute angle of 0 ° to 90 ° degrees to a flow axis of the cathode feed gas, an angle of 0 ° being a downstream exit axis in a flow direction of the cathode feed gas defined. Through this mutual

Ausrichtung von Strömungen kann ein Unterdruck an der Einmündung der Verduns-Alignment of flows can create a negative pressure at the confluence of the evaporation

tungs-Einspeisedüse in den betreffenden Gasstrom erzielt werden. Demzufolge kann processing feed nozzle can be achieved in the gas stream concerned. As a result, can

ein Förderdruck zur Einspeisung des Produktwasser reduziert werden oder idealer-a delivery pressure for feeding in the product water can be reduced or ideally

weise eine Bereitstellung des Förderdrucks entfallen. wise provision of the delivery pressure is not required.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn zwischen einem Einlassabschnitt und einem Auslassabschnitt der Vorkonditionierungskammer ein Verjüngungsabschnitt mit einem verringerten Strömungsquerschnitt der Vorkonditionierungskammer ausgebildet ist, wobei die wenigstens eine Verdunstungs-Einspeisedüse innerhalb des Verjüngungsabschnitts in die Vorkonditionierungskammer mündet. Durch diese alternative oder zusätzliche Ausgestaltung wird der betreffende Gasstrom innerhalb des verJüngten Strömungsquerschnitts beschleunigt, während eine radiale Kontraktion des Gasstroms einen Unterdruck an einer radial einwärts gerichteten Einmündung der Verdunstungs-Einspeisedüse in den Gasstrom bewirkt. Die genannte Wirkung ist als Venturi-Effekt bekannt, wobei die genannte Konfiguration der Vorkonditionierungskammer einschließlich der Vorkonditionierungskammer vorzugsweise gemäß dem Vorbild einer bekannten Venturi-Düse bzw. eines Venturi-Rohrs ausgebildet oder geometrisch optimiert ist. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung kann eine Pumpe zur Bereitstellung eines Förderdruck zur Einspeisung des Produktwasser idealerweise In addition, it is advantageous if a tapering section with a reduced flow cross-section of the preconditioning chamber is formed between an inlet section and an outlet section of the preconditioning chamber, the at least one evaporation feed nozzle opening into the preconditioning chamber within the tapering section. This alternative or additional embodiment accelerates the gas flow in question within the tapered flow cross-section, while a radial contraction of the gas flow causes a negative pressure at a radially inwardly directed confluence of the evaporation feed nozzle into the gas flow. The cited effect is known as the Venturi effect, the cited configuration of the preconditioning chamber including the preconditioning chamber preferably being designed or geometrically optimized according to the model of a known Venturi nozzle or a Venturi tube. With this advantageous embodiment, a pump can ideally provide a delivery pressure for feeding in the product water

entfallen. omitted.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der Einspeiseabschnitt wenigstens eine Verdunstungs-Oberfläche für eine Exposition des Produktwassers zu dem Kathodenzuführgas in dem Strömungsquerschnitt der Vorkonditionierungskammer umfasst. Eine Verdunstung von Produktwasser, das über eine Oberfläche in den betreffenden Gasstrom eingeleitet und/oder exponiert wird, stellt eine zweite Variante der erfin-Furthermore, it is advantageous if the feed section comprises at least one evaporation surface for exposure of the product water to the cathode feed gas in the flow cross section of the preconditioning chamber. An evaporation of product water, which is introduced into the gas stream in question via a surface and / or exposed, represents a second variant of the invention.

dungsgemäßen direkten Einspeisung des Produktwassers in den Gasstrom dar. proper direct feeding of the product water into the gas stream.

So ist es beispielsweise denkbar, dass das Produktwasser aus dem Wasserzuführabschnitt über die Verdunstungs-Oberfläche des Einspeiseabschnitts in einen Strömungsquerschnitt der Vorkonditionierungskammer hinein fließt und unter Exposition zum Gasstrom verdunstet. In diesem Fall ist kein oder nur ein geringer Förderdruck zur Einspeisung des Produktwassers erforderlich. Insbesondere kann beispielsweise eine Ausnutzung der Schwerkraft in einer Leitungsstrecke des Wasserzuführabschnitts und des Einspeiseabschnitts erfolgen und zur Einspeisung ausrei-For example, it is conceivable that the product water from the water supply section flows via the evaporation surface of the feed section into a flow cross section of the preconditioning chamber and evaporates while being exposed to the gas flow. In this case, little or no delivery pressure is required to feed in the product water. In particular, for example, the force of gravity can be exploited in a line section of the water supply section and the feed section and sufficient for the feed.

chend sein. be appropriate.

vorzusehen. to be provided.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die wenigstens eine Verdunstungs-Oberfläche eine Fläche mit Öffnungen aufweist. Bei dieser alternativen Ausgestaltung der Verdunstungs-Oberfläche wird ein Strömungswiderstand für den Gasstrom bereits innerhalb der Fläche und unabhängig von einer Ausrichtung derselben verringert. Je größer eine Teilfläche der Öffnungen im Verhältnis der gesamten Fläche ist, desto größer kann ein Neigungswinkel der Verdunstungs-Oberfläche in den Gasstrom ausfallen. Beispielsweise kann eine Verdunstungs-Oberfläche mit einer gitterartigen Struktur und maschenartigen Öffnungen auch senkrecht zu einer Strömungsrichtung des betreffenden Gasstroms ausgerichtet sein und einen gesamten Strömungsquerschnitt der Vorkonditionierungskammer einnehmen, und dennoch einen erfindungsgemäß It is also advantageous if the at least one evaporation surface has an area with openings. In this alternative embodiment of the evaporation surface, a flow resistance for the gas flow is already reduced within the surface and independently of an orientation of the same. The larger a partial area of the openings is in relation to the total area, the greater the angle of inclination of the evaporation surface into the gas flow can be. For example, an evaporation surface with a grid-like structure and mesh-like openings can also be oriented perpendicular to a flow direction of the gas flow in question and occupy an entire flow cross-section of the preconditioning chamber, and yet one according to the invention

beabsichtigten, geringen Strömungswiderstand gewährleisten. intended to ensure low flow resistance.

Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn zwischen einem Einlassabschnitt und einem Auslassabschnitt der Vorkonditionierungskammer ein Verjüngungsabschnitt mit einem verringerten Strömungsquerschnitt der Vorkonditionierungskammer ausgebildet ist, wobei die wenigstens eine Verdunstungs-Oberfläche innerhalb des Verjüngungsabschnitts in der Vorkonditionierungskammer angeordnet ist. Analog zu der oben beschriebenen Konfiguration in Bezug auf den Venturi-Effekt, wird bei dieser alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung ebenfalls der betreffende Gasstrom innerhalb des verjüngten Strömungsquerschnitts beschleunigt, während eine radiale Kontraktion des Gasstroms einen Unterdruck im Gasstrom bewirkt. Der Unterdruck begünstigt wiederum eine Verdampfung von Produktwasser, das innerhalb des VerJüngungsabschnitt der Vorkonditionierungskammer auf einer Verdunstungs-It can bring further advantages if a tapered section with a reduced flow cross-section of the preconditioning chamber is formed between an inlet section and an outlet section of the preconditioning chamber, the at least one evaporation surface being arranged within the tapered section in the preconditioning chamber. Analogous to the configuration described above with regard to the Venturi effect, in this alternative or additional embodiment the gas flow in question is also accelerated within the tapered flow cross-section, while a radial contraction of the gas flow causes a negative pressure in the gas flow. The negative pressure in turn favors the evaporation of product water, which within the tapered section of the preconditioning chamber on an evaporation

Oberfläche zum betreffenden Gasstrom exponiert ist. Ferner kann ein Förderdruck Surface is exposed to the gas flow concerned. Furthermore, a delivery pressure

stellung des Förderdrucks entfallen. setting of the delivery pressure are not required.

Weiter von Vorteil kann es sein, wenn der Einspeiseabschnitt sowohl eine Verdunstungs-Einspeisedüse für eine Zerstäubung des Produktwassers, als auch eine Verdunstungs-Oberfläche für eine Exposition des zerstäubten Produktwassers in der Vorkonditionierungskammer umfasst, wobei die Verdunstungs-Einspeisedüse stromaufwärts von der Verdunstungs-Oberfläche angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltungskombination wird ein zerstäubter Sprühnebel des Produktwassers im Wesentlichen kontinuierlich oder regelmäßig in den Gasstrom abgegeben, wobei ein Teil des abtransportierten Sprühnebels auf die Verdunstungs-Oberfläche aufgetragen wird, ehe ein entsprechender Niederschlag von Tröpfchen auf der VerdunstungsOberfläche unter Exposition zum Gasstrom weiter verdunstet. Auf diese Weise wird ein Sprühnebel nochmals teilweise aufgefangen und zur Verdunstung in der Vorkonditionierungskammer gehalten. Demzufolge kann entgegenwirkt werden, dass der Sprühnebel direkt von dem Gasstrom abgeführt wird und ggf. in eine weiter Systemkomponente gelangt, ehe der Sprühnebel verdunstet ist. Insbesondere kann entgegengewirkt werden, dass der Sprühnebel in einem nachgelagerten Intercooler bereits wieder auskondensiert bevor er verdunstet ist, wodurch eine Verteilung des Feuch-It can also be advantageous if the feed section comprises both an evaporation feed nozzle for atomizing the product water and an evaporation surface for exposing the atomized product water in the preconditioning chamber, the evaporation feed nozzle being arranged upstream of the evaporation surface is. In this design combination, an atomized spray of the product water is released essentially continuously or regularly into the gas flow, with part of the transported spray being applied to the evaporation surface before a corresponding precipitation of droplets on the evaporation surface continues to evaporate with exposure to the gas flow. In this way, a spray mist is partially captured again and held in the preconditioning chamber for evaporation. Accordingly, it can be counteracted that the spray mist is carried away directly by the gas flow and possibly reaches another system component before the spray mist has evaporated. In particular, it can be counteracted that the spray mist already condenses out again in a downstream intercooler before it has evaporated, whereby a distribution of the moisture

tigkeitsgehalts im Gasstrom beeinträchtigt wäre. activity content in the gas stream would be impaired.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, aufweisend eine erfindungsgemäße Vorkonditionierungsvorrichtung in einem Kathodenzuführabschnitt. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Vorkonditionierungsvorrichtung erläutert worden sind. Insbesondere kann auf diese Weise in einer mobilen Anwendung wie einer Leistungserzeugung in einem Fahrzeug, ein einfacher und kostengünstiger Aufbau zur Gewichts- und Kosteneinsparung an Systemkomponenten oder einer Kapazitätserhöhung in Bezug auf dieselben Another object of the present invention is a fuel cell system having a preconditioning device according to the invention in a cathode feed section. A fuel cell system according to the invention thus brings the same advantages as have been explained in detail with reference to a preconditioning device according to the invention. In particular, in a mobile application such as power generation in a vehicle, a simple and cost-effective structure for saving weight and cost of system components or for increasing the capacity of the same can be used in this way

bereitgestellt werden. to be provided.

Hierbei ist es von Vorteil, wenn der Wasserzuführabschnitt in fluuıudkommunizierender Verbindung mit einem Sammelabschnitt des Brennstoffzellensystems für eine Ansammlung von Produktwasser aus dem Brennstoffzellenstapel steht. Somit kann in einer mobilen Anwendung, wie einer Leistungserzeugung in einem Fahrzeug, das an It is advantageous here if the water supply section is in fluid-communicating connection with a collecting section of the fuel cell system for an accumulation of product water from the fuel cell stack. Thus, in a mobile application, such as power generation in a vehicle, that on

Board anfallende Produktwasser vorteilhaft genutzt werden. Board accumulating product water can be used advantageously.

Vorteilhaft ist es, wenn in dem Brennstoffzellensystem die Vorkonditionierungsvorrichtung stromabwärts von einem Verdichter angeordnet ist. Insbesondere bei einem durch die Verdichtung erwärmten Gasstrom profitiert das Brennstoffzellensystem von dem Wärmeentzug der Verdampfungsenthalpie während des Verdunstens des Produktwassers bei der erfindungsgemäßen Vorkonditionierung. Umgekehrt begünstigt ein durch die Verdichtung erwärmter Gasstrom die erläuterte Wirkungsweise der er-It is advantageous if the preconditioning device is arranged downstream of a compressor in the fuel cell system. In particular in the case of a gas stream heated by the compression, the fuel cell system benefits from the heat extraction of the evaporation enthalpy during the evaporation of the product water during the preconditioning according to the invention. Conversely, a gas stream heated by the compression favors the explained mode of action of the

findungsgemäßen Vorkonditionierungsvorrichtung. inventive preconditioning device.

Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn in dem Brennstoffzellensystem die Vorkonditionierungsvorrichtung stromaufwärts von einem Wärmetauscher angeordnet ist. Das Brennstoffzellensystem profitiert bei der genannten Anordnungsreihenfolge in Strömungsrichtung davon, dass der Wärmetauscher bzw. ein bekannter Intercooler aufgrund der Vorkonditionierung eine geringere Kühlleistung zu erbringen hat. It is also advantageous if the preconditioning device is arranged upstream of a heat exchanger in the fuel cell system. With the above-mentioned arrangement sequence in the flow direction, the fuel cell system benefits from the fact that the heat exchanger or a known intercooler has to provide a lower cooling capacity due to the preconditioning.

Dabei ist es von Vorteil, wenn die Vorkonditionierungsvorrichtung und der Wärmetauscher als eine integrale Konditionierungsvorrichtung zur Konditionierung des Kathodenzuführgases ausgebildet sind, wobei die Vorkonditionierungsvorrichtung einen stromaufwärts gerichteten Abschnitt der integralen Konditionierungsvorrichtung bildet. Durch die Integration der beiden Systemkomponenten können die Bereitstellungskosten, Montagekosten und das Systemvolumen des Brennstoffzellensystems It is advantageous if the preconditioning device and the heat exchanger are designed as an integral conditioning device for conditioning the cathode feed gas, the preconditioning device forming an upstream section of the integral conditioning device. By integrating the two system components, the preparation costs, assembly costs and the system volume of the fuel cell system

verringert werden. be reduced.

Ebenso vorteilhaft ist es, wenn in dem Brennstoffzellensystem die Vorkonditionierungsvorrichtung stromaufwärts von einer Befeuchtungsvorrichtung angeordnet ist. Das Brennstoffzellensystem profitiert bei der genannten Anordnungsreihenfolge in Strömungsrichtung davon, dass die Befeuchtungsvorrichtung aufgrund der erfindungsgemäßen Vorkonditionierung einen geringeren Feuchtigkeitseintrag aufzubrin-It is also advantageous if the preconditioning device is arranged upstream of a humidifying device in the fuel cell system. The fuel cell system benefits from the above-mentioned arrangement sequence in the direction of flow from the fact that the humidification device, due to the preconditioning according to the invention, has a lower moisture input.

gen hat. gen has.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Vorkonditionierung eines Kathodenzuführgases in einem Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorkonditionierungsvorrichtung, einem Verdichter und einem Wär-The present invention also relates to a method for preconditioning a cathode feed gas in a fuel cell system with a preconditioning device according to the invention, a compressor and a heat

metauscher, aufweisend die folgenden Schritte: exchanger, comprising the following steps:

- Verdichten des Kathodenzuführgases mittels des Verdichters; - Compressing the cathode feed gas by means of the compressor;

tionierungsvorrichtung; und tioning device; and

- Kühlen des vorkonditionierten Kathodenzuführgases mittels des Wärmetau-- Cooling of the preconditioned cathode feed gas by means of the heat exchanger

schers. Von Vorteil ist es ferner, wenn anschließend der folgende Schritt erfolgt: schers. It is also advantageous if the following step takes place afterwards:

- Befeuchten des gekühlten Kathodenzuführgases mittels der Befeuchtungsvorrichtung 148. Humidification of the cooled cathode feed gas by means of the humidification device 148.

Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem sowie eine A method according to the invention thus brings the same advantages as are detailed with reference to a fuel cell system according to the invention and a

erfindungsgemäße Vorkonditionierungsvorrichtung erläutert worden sind. preconditioning device according to the invention have been explained.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schema-Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. It show schematic

tisch: table:

Fig. 1 eine Anordnung der erfindungsgemäßen Vorkonditionierungs-vorrichtung in dem Systemkontext eines Brennstoffzellensystems, 1 shows an arrangement of the preconditioning device according to the invention in the system context of a fuel cell system,

Fig. 2 Varianten zur Ausgestaltung verschiedener Ausführungsformen einer er-Fig. 2 variants for the design of different embodiments of a he

findungsgemäßen Vorkonditionierungsvorrichtung, inventive preconditioning device,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorkonditionie-3 shows a further embodiment of a preconditioning according to the invention

rungsvorrichtung. device.

In Figur 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 schematisch dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 110 mit einem Anodenabschnitt 112 und einem Kathodenabschnitt 114. Der Kathodenabschnitt 114 ist mit einem Kathodenzuführabschnitt 140 zum Zuführen von Kathodenzuführgas verbunden, der ein Reaktionsgas, insbesondere sauerstoffhaltige Luft zuführt. Zudem ist der Kathodenabschnitt 114 mit einem Kathodenabführabschnitt 142 zum Abführen von Kathodenabgas verbunden. Der Anodenabschnitt 112 ist mit einem Anodenzuführabschnitt 120 zum Zuführen von Anodenzuführgas verbunden, der in bekannter A fuel cell system 100 is shown schematically in FIG. The fuel cell system 100 comprises a fuel cell stack 110 with an anode section 112 and a cathode section 114. The cathode section 114 is connected to a cathode supply section 140 for supplying cathode supply gas, which supplies a reaction gas, in particular oxygen-containing air. In addition, the cathode section 114 is connected to a cathode discharge section 142 for discharging cathode exhaust gas. The anode section 112 is connected to an anode supply section 120 for supplying anode supply gas, which is known in the art

Weise ein Brennstoffgas, insbesondere Wasserstoff zuführt. Ferner ist der Anoden-Way supplies a fuel gas, in particular hydrogen. Furthermore, the anode

gas in bekannter Weise verbunden. gas connected in a known manner.

Eine Vorkonditionierungsvorrichtung 10 bildet einen Teil des Kathodenzuführabschnitts 140, der ferner einen Verdichter 144 bzw. einen Kompressor mit einem Luftfilter 143, einen Wärmetauscher 146 bzw. Intercooler, der an einem Kühlflüssigkeitskreislauf angeschlossen ist, und eine Befeuchtungsvorrichtung 148, die einen Feuchtigkeitsaustausch mit dem Kathodenabführabschnitt 142 herstellt, umfasst. Die Vorkonditionierungsvorrichtung 10 ist in einer Zuführstrecke des Kathodenzuführabschnitts 140 zwischen dem Verdichter 144 und dem Wärmetauscher 146 angeordnet. Die Vorkonditionierungsvorrichtung 10 ist in einem Einlassabschnitt des Wärmetauschers 146 baulich integriert, sodass beide Einheiten eine integrale Konditionierungsvorrichtung 145 bilden und von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben sind. A preconditioning device 10 forms part of the cathode feed section 140, which further includes a compressor 144 or a compressor with an air filter 143, a heat exchanger 146 or intercooler, which is connected to a cooling liquid circuit, and a humidifier 148, which exchanges moisture with the cathode discharge section 142 manufactures, includes. The preconditioning device 10 is arranged in a feed path of the cathode feed section 140 between the compressor 144 and the heat exchanger 146. The preconditioning device 10 is structurally integrated in an inlet section of the heat exchanger 146, so that both units form an integral conditioning device 145 and are surrounded by a common housing.

Ferner ist die Vorkonditionierungsvorrichtung 10 über eine Leitung mit einem Sammelabschnitt 50 oder mit einer externen Wasserzufuhr verbunden. Der Sammelabschnitt 50 umfasst ein Reservoir zum Auffangen eines Produktwassers, d.h. einem Wasser, das in einem Leistungserzeugungsprozess des Brennstoffzellenstapels erzeugt wird. Obwohl nicht schematisch dargestellt, kann die Vorkonditionierungsvorrichtung 10 in einer Schwerkraftrichtung unterhalb des Sammelabschnitts 50 angeordnet sein, sodass die Schwerkraft eine Förderung des Produktwassers zur Vorkonditionierungsvorrichtung 10 unterstützt. Es kann jedoch auch eine nicht dargestellte Pumpe zur Förderung des Produktwassers zwischen dem Sammelabschnitt 50 oder dem Brennstoffzellenstapel 110 und der Vorkonditionierungsvorrichtung 10 Furthermore, the preconditioning device 10 is connected via a line to a collecting section 50 or to an external water supply. The collecting portion 50 includes a reservoir for collecting a product water, i.e., water that is generated in a power generation process of the fuel cell stack. Although not shown schematically, the preconditioning device 10 can be arranged in a direction of gravity below the collecting section 50, so that gravity supports the conveyance of the product water to the preconditioning device 10. However, a pump (not shown) can also be used for conveying the product water between the collecting section 50 or the fuel cell stack 110 and the preconditioning device 10

vorgesehen sein. be provided.

In Figur 2 sind Varianten zur Ausgestaltung dargestellt, die zu mehreren Ausführungsformen der Vorkonditionierungsvorrichtung 10 verwendet werden können und In FIG. 2, variants of the configuration are shown which can be used for several embodiments of the preconditioning device 10 and

auch miteinander kombinierbar sind. can also be combined with one another.

Die Vorkonditionierungsvorrichtung 10 umfasst einen Wasserzuführabschnitt 20, einen Gaszuführabschnitt 30, eine Vorkonditionierungskammer 40 und einen Gasabführabschnitt 60. Der Gaszuführabschnitt 30 und der Gasabführabschnitt 60 sind in der Realität insbesondere mit einem Querschnitt ausgebildet, welcher etwa einem Querschnitt der Vorkonditionierungsvorrichtung 10 entspricht. Dies ist in der Fig. 2 nicht dargestellt. Durch einen Strömungsquerschnitt der Vorkonditionierungskammer The preconditioning device 10 comprises a water supply section 20, a gas supply section 30, a preconditioning chamber 40 and a gas removal section 60. The gas supply section 30 and the gas removal section 60 are in reality designed in particular with a cross section which corresponds approximately to a cross section of the preconditioning device 10. This is not shown in FIG. 2. Through a flow cross-section of the preconditioning chamber

40 strömt ein Gasstrom des Kathodenzuführgases, das aus dem Gaszuführabschnitt 40, a gas stream of the cathode supply gas flows from the gas supply section

30 zugeführt wird und von dem Gasabführabschnitt 60 abgeführt wird. Vor dem Gaszuführabschnitt 30 durchströmt das Kathodenzuführgas den Verdichter 144. Nach dem Gasabführabschnitt 60 strömt das Kathodenzuführgas weiter in den Wärmetauscher 146. In Fig. 2 sind genaugenommen nur jeweils Leitungen zum Verdichter 144 und Wärmetauscher 146 gezeigt. Der Gaszuführabschnitt 30 und der Gasabführabschnitt 60 können als eine Systemschnittstelle zu dem Kathodenzuführabschnitt 140 30 is supplied and discharged from the gas discharge section 60. Before the gas feed section 30, the cathode feed gas flows through the compressor 144. After the gas discharge section 60, the cathode feed gas flows further into the heat exchanger 146. Strictly speaking, only lines to the compressor 144 and heat exchanger 146 are shown in FIG. The gas feed section 30 and the gas discharge section 60 can be used as a system interface to the cathode feed section 140

aus Figur 1 aufgefasst werden. from Figure 1 can be understood.

In der Vorkonditionierungskammer 40 oder zumindest in die Vorkonditionierungskammer 40 hinein erstreckend, ist ein Einspeiseabschnitt 22 angeordnet, der eine Verlängerung bzw. ein Endabschnitt einer Leitungsstrecke des Wasserzuführabschnittes 20 bildet, welcher ein Produktwasser aus dem Sammelabschnitt 50 in die Vorkonditionierungskammer 40 zuführt. Der Wasserzuführabschnitt 20 kann also ebenfalls als eine Systemschnittstelle zu dem Sammelabschnitt 50 aufgefasst wer-In the preconditioning chamber 40 or at least extending into the preconditioning chamber 40, a feed section 22 is arranged, which forms an extension or an end section of a line section of the water feed section 20, which feeds a product water from the collecting section 50 into the preconditioning chamber 40. The water supply section 20 can therefore also be understood as a system interface to the collecting section 50.

den. the.

In einer Ausführungsform umfasst die Vorkonditionierungsvorrichtung 10 die in Fig. 2 dargestellte Variante eines Einspeiseabschnitts 22 mit einer VerdunstungsEinspeisedüse 24. Die Verdunstungs-Einspeisedüse 24 lässt das zugeführte Produktwasser durch eine Düsenöffnung direkt in den passierenden Gasstrom aus, insbesondere zerstäubt sie dieses unter Bereitstellung eines Förderdrucks. Eine Geometrie der Verdunstungs-Einspeisedüse 24 ist dazu ausgelegt, einen Austrittskegel AK zu erzeugen, dessen Austrittsquerschnitt AQ entlang einer Austrittsachse AA in Strömungsrichtung expandiert und dabei den Strömungsquerschnitt der Vorkonditionierungskammer 40 vollständig einnimmt. Ferner ist eine Anordnung von Düsenöffnungen beispielsweise derart angeordnet, dass auch in einem mittleren Bereich des Austrittskegel ein Austritt bzw. eine Zerstäubung von Produktwasser erzeugt wird. Der zerstäubte Sprühnebel wird von dem Gasstrom aufgenommen und verdunstet darin, sodass das Kathodenzuführgas abgekühlt wird und einen Feuchtigkeitseintrag erfährt. In one embodiment, the preconditioning device 10 comprises the variant of a feed section 22 with an evaporation feed nozzle 24 shown in FIG. A geometry of the evaporation feed nozzle 24 is designed to generate an outlet cone AK, the outlet cross section AQ of which expands along an outlet axis AA in the direction of flow and thereby completely takes up the flow cross section of the preconditioning chamber 40. Furthermore, an arrangement of nozzle openings is arranged, for example, in such a way that an outlet or atomization of product water is also generated in a central region of the outlet cone. The atomized spray mist is absorbed by the gas flow and evaporates in it, so that the cathode feed gas is cooled and moisture is introduced.

In einer anderen Ausführungsform umfasst die Vorkonditionierungsvorrichtung 10 die ebenfalls in Fig. 2 dargestellte Variante eines Wasserzuführabschnitts 20‘ und eines Einspeiseabschnitts 22‘ mit einer Verdunstungs-Oberfläche 26 mit Öffnungen 28. Genauer genommen ist die Ausgestaltung der Verdunstungs-Oberfläche 26 mit Öff-In another embodiment, the preconditioning device 10 comprises the variant, also shown in FIG. 2, of a water supply section 20 'and a feed section 22' with an evaporation surface 26 with openings 28.

nungen 28 in Form eines Gitters, wie beispielsweise eines Streckgitters bereitge-openings 28 in the form of a lattice, such as an expanded metal

stellt. Der Einspeiseabschnitt 22‘ ist als ein breiter werdender Verteilerkanal oder represents. The feed section 22 ‘is as a widening distribution channel or

mehrere Kanäle ausgebildet, die eine Benetzung der verzweigten Verdunstungs-formed several channels that wetting the branched evaporation

Oberfläche 26 sicherstellen, wobei das zugeführte Produktwasser über die verzweig-Ensure surface 26, with the supplied product water via the branched

te Verdunstungs-Oberfläche 26 läuft oder tropft und anhand von Verwirbelungen des te evaporation surface 26 runs or drips and based on turbulence of the

Gasstroms, der sich durch die Öffnungen 28 der Verdunstungs-Oberfläche 26 auf-Gas flow, which through the openings 28 of the evaporation surface 26 on-

teilt, begünstigt aufgenommen wird. shares, is favorably received.

In einer kombinierten Ausführungsform, die ebenfalls der Darstellung aus Fig. 2 entnommen werden kann, umfasst die Vorkonditionierungsvorrichtung 10 sowohl die Variante der dargestellten Verdunstungs-Einspeisedüse 24 als auch die Variante der dargestellten Verdunstungs-Oberfläche 26 mit Öffnungen 28. Dabei kann der Einspeiseabschnitts 22‘ zu der Verdunstungs-Oberfläche 26 wahlweise entfallen. Bei dieser Ausführungsform wird der aus der Verdunstungs-Einspeisedüse 24 erzeugte Sprühnebel in einer Strömungsachse SA des Gasstroms eingebracht und teilweise auf die Oberfläche 26 mit Öffnungen 28 aufgebracht. Mit anderen Worten wird ein Teil des Sprühnebels an der Oberfläche 26 aufgefangen und in einem insbesondere In a combined embodiment, which can also be seen in the illustration in FIG. 2, the preconditioning device 10 comprises both the variant of the illustrated evaporation feed nozzle 24 and the variant of the illustrated evaporation surface 26 with openings 28. to the evaporation surface 26 are optionally omitted. In this embodiment, the spray mist generated from the evaporation feed nozzle 24 is introduced in a flow axis SA of the gas flow and partially applied to the surface 26 with openings 28. In other words, some of the spray is captured on surface 26 and in particular

Bereich des Gasstroms, der die Öffnungen 28 passiert, verdunstet. Area of the gas flow which passes through the openings 28 evaporates.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der Vorkonditionierungsvorrichtung 10 dargestellt, die nach dem Prinzip eines Venturi-Rohrs ausgestaltet ist. Dabei weist die Vorkonditionierungskammer 40 unterschiedliche Strömungsquerschnitte auf. Ein Strömungsquerschnitt eines Verjüngungsabschnitts 44 ist kleiner als ein Strömungsquerschnitt eines Einlassabschnitts 42 und eines Auslassabschnitts 46. Der Einspeiseabschnitt 22 weist mehrere Verdunstungs-Einspeisedüse 24 auf, die über einen Umfang der Vorkonditionierungskammer 40 verteilt angeordnet sind. Die Verdunstungs-Einspeisedüsen 24 können senkrecht, oder wie dargestellt in einem spitzen Winkel in Bezug zu dem Gasstrom in die Vorkonditionierungskammer 40 münden. Die Mündungen der Verdunstungs-Einspeisedüsen 24 sind im Bereich des kleineren Strömungsquerschnitts des Verjüngungsabschnitts 44 angeordnet, in welchem ein strömungsdynamisch erzeugter Unterdruck herrscht. Der Unterdruck begünstigt die Einspeisung sowie die Verteilung und Verdunstung des eingelassenen tropfenförmigen bzw. zerstäubten Produktwassers, wobei sich die Auslasskegel AK der Verdunstungs-Einspeisedüsen 24 überschneiden. In Fig. 3, a further embodiment of the preconditioning device 10 is shown, which is designed on the principle of a Venturi tube. The preconditioning chamber 40 has different flow cross-sections. A flow cross section of a tapered section 44 is smaller than a flow cross section of an inlet section 42 and an outlet section 46. The evaporation feed nozzles 24 can open into the preconditioning chamber 40 perpendicularly or, as shown, at an acute angle with respect to the gas flow. The mouths of the evaporation feed nozzles 24 are arranged in the area of the smaller flow cross-section of the tapering section 44, in which a negative pressure generated by flow dynamics prevails. The negative pressure favors the feeding in as well as the distribution and evaporation of the let-in drop-shaped or atomized product water, with the outlet cones AK of the evaporation feed nozzles 24 overlapping.

Die voranstehenden Erläuterungen der Ausführungsformen beschreiben die vorlie-The above explanations of the embodiments describe the present

gende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich kön-Invention only within the scope of examples. Of course,

nen einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. NEN individual features of the embodiments, insofar as it is technically sensible, can be freely combined with one another without departing from the scope of the present invention.

Bezugszeichenliste List of reference symbols

10 Vorkonditionierungsvorrichtung 20/20‘ Wasserzuführabschnitt 22/22‘ Einspeiseabschnitt 10 Preconditioning device 20/20 ‘water supply section 22/22‘ feed section

24 Verdunstungs-Einspeisedüse 26 VWVerdunstungs-Oberfläche 24 Evaporation feed nozzle 26 VW evaporation surface

28 Öffnungen 28 openings

30 Gaszuführabschnitt 30 gas supply section

40 Vorkonditionierungskammer 42 Einlassabschnitt 40 preconditioning chamber 42 inlet section

44 Verjüngungsabschnitt 44 tapered section

46 Auslassabschnitt 46 outlet section

50 Sammelabschnitt 50 collection section

60 Gasabführabschnitt 60 gas discharge section

100 Brennstoffzellensystem 100 fuel cell system

110 Brennstoffzellenstapel 110 fuel cell stack

112 Anodenabschnitt 112 anode section

114 Kathodenabschnitt 114 cathode section

120 Anodenzuführabschnitt 120 anode feed section

122 Anodenabführabschnitt 122 anode discharge section

140 Kathodenzuführabschnitt 140 cathode feed section

142 Kathodenabführabschnitt 142 cathode discharge section

143 Luftfilter 143 air filter

144 Verdichter 144 compressors

145 integrale Konditionierungsvorrichtung 146 Wärmetauscher 145 integral conditioning device 146 heat exchanger

148 Befeuchtungsvorrichtung 148 Humidifier

SA Strömungsachse AA _ Auslassachse AK _ Auslasskegel SA flow axis AA _ outlet axis AK _ outlet cone

AQ — Auslassquerschnitt AQ - outlet cross section

Claims

1. Preconditioning device (10) for preconditioning a cathode feed gas in a fuel cell system (100), comprising a water feed section (20) for a feed of product water, a gas feed section (30) for a feed of the cathode feed gas and a preconditioning chamber (40) for evaporation of product water in the cathode feed gas, characterized in that a feed section (22) is provided which is arranged for a direct feed of the product water from the feed section (20) into the cathode feed gas in the preconditioning chamber (40), a gas discharge section (60) for a discharge of preconditioned cathode feed gas from the preconditioning chamber (40) is provided.

2. Preconditioning device according to claim 1, characterized in that the feed section (22) has at least one evaporation feed nozzle (24) for atomizing the product water into the preconditioning.

tioning chamber (40) comprises.

3. Preconditioning device according to claim 2, characterized in that the evaporation feed nozzle (24) has an outlet cone (AK) with an expanding outlet cross section (AQ) along an outlet axis (AA).

4. Preconditioning device according to claim 3, characterized in that the outlet cross section (AQ) of the outlet cone (AK) is greater than or equal to

is a flow cross section of the preconditioning chamber (40).

5. Preconditioning device according to one of claims 2 to 4, characterized in that an outlet axis (AA) of the at least one evaporation feed nozzle (24) at an acute angle of 0 ° to 90 ° degrees to a flow axis (SA) of the cathode feed gas into the The preconditioning chamber (40) opens, an angle of 0 ° forming a downstream exit axis (AA) in a flow direction of the cathode feed gas

Are defined.

6. Preconditioning device according to one of claims 2 to 5, characterized

characterized in that between an inlet section (42) and an outlet

let section (46) of the preconditioning chamber (40) a taper

section (44) with a reduced flow cross-section of the preconditioning

tion chamber (40) is formed, wherein the at least one evaporation

Feed nozzle (24) within the tapered section (44) into the preconditioning

tioning chamber (40) opens.

7. Preconditioning device according to one of the preceding claims, characterized in that the feed section (22 °) has at least one evaporation surface (26) for exposure of the product water to the cathode feed gas in the flow cross section of the preconditioning

chamber (40) includes.

8. preconditioning device according to claim 7, characterized in that the at least one evaporation surface (26) is a closed

Has surface.

9. preconditioning device according to claim 7, characterized in that the at least one evaporation surface (26) has a surface with opening

has openings (28).

10. Preconditioning device according to one of claims 7 to 9, characterized in that a tapering section (44) with a reduced flow cross-section of the preconditioning chamber (40) is formed between an inlet section (42) and an outlet section (46) of the preconditioning chamber (40), wherein the at least one evaporation surface (26) within the tapered section (44) in the preconditioning

nierungskammer (40) is arranged.

11. Preconditioning device according to one of the preceding claims, characterized in that the feed section (22) has both an evaporation feed nozzle (24) for atomizing the product water and an evaporation surface (26) for exposing the atomized product water in the preconditioning chamber (40), wherein the evaporation feed nozzle (24) is arranged upstream of the evaporation surface (26).

12. Fuel cell system (100), having

- At least one fuel cell stack (110) with an anode section (112) and a cathode section (114),

- an anode supply section (120) for supplying anode supply gas to the anode section (112),

- A cathode feed section (140) for feeding cathode feed

lead gas to the cathode section (114),

- An anode discharge section (122) for discharging anode exhaust gas, and

- A cathode discharge section (142) for discharging cathode exhaust gas,

wherein in the cathode feed section (140) a preconditioning device (10) for preconditioning the cathode feed gas with the features

len one of claims 1 to 11 is arranged.

13. Fuel cell system (100) according to claim 12, characterized in that the water supply section (20) in fluid-communicating connection with a collecting section (50) of the fuel cell system (100) for a

Accumulation of product water from the fuel cell stack (110) is.

14. The fuel cell system (100) according to claim 12 or 13, further comprising: a compressor (144) for compressing the cathode feed gas, characterized in that the preconditioning device (10) is arranged downstream of the compressor (144).

15. The fuel cell system (100) according to claim 12, further comprising: a heat exchanger (146) for cooling the compressed cathode feed gas, characterized in that the preconditioning device (10) is arranged upstream of the heat exchanger (146).

16. Fuel cell system (100) according to claim 15, characterized in that the preconditioning device (10) and the heat exchanger (146) as an integral conditioning device (145) for conditioning the

Cathode supply gas are formed; the preconditioning device

forming device (145).

17. Fuel cell system (100) according to one of claims 12 to 16, further comprising: humidifying device (148) for humidifying the compressed cathode feed gas, characterized in that the preconditioning device (10) upstream of the humidifying device (148)

is ordered.

18. A method for preconditioning a cathode feed gas in a fuel cell system (100) according to claims 14 and 15; comprising the steps:

- Compressing the cathode feed gas by means of the compressor (144);

- Preconditioning of the compressed cathode feed gas by directly feeding product water into the cathode feed gas by means of the

Preconditioning device (10); and

- Cooling of the preconditioned cathode feed gas by means of the heat exchanger (146).

19. The method for preconditioning a cathode feed gas according to claim 18 in a fuel cell system (100) according to claim 17, characterized in that

indicates that the method further comprises the step:

- Humidification of the cooled cathode feed gas by means of the humidification

processing device (148).