DE102014103554B4

DE102014103554B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft

Info

Publication number: DE102014103554B4
Application number: DE102014103554.2A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Hickmann; Klaus Ruthrof
Original assignee: Eisenhuth GmbH and Co KG
Current assignee: Eisenhuth GmbH and Co KG
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2016-01-07
Anticipated expiration: 2034-03-15
Also published as: DE102014103554A1

Abstract

Verfahren zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft, bei dem a) die Luft auf einer Seite (3) einer Brennstoffzelle (2) zugeführt wird, b) auf der anderen Seite (5) der Brennstoffzelle (2) Wasserstoff zugeführt wird und c) in der Luft enthaltener Sauerstoff in der Brennstoffzelle (2) mit dem Wasserstoff zu Wasser umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass d) ein elektrischer Strom erfasst wird, der aufgrund des Umsetzens zu Wasser zwischen den Seiten (3, 5) der Brennstoffzelle (2) fließt, und e) das Umsetzen zu Wasser erst dann beendet und die Luft abgeführt wird, wenn ea) das Integral des Stroms, der seit dem Zuführen der Luft zwischen den Seiten (3, 5) der Brennstoffzelle (2) beim Umsetzen zu Wasser geflossen ist, einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet, wobei der Grenzwert durch einen Mindestwert für den umzusetzenden Sauerstoff aus der Luft vorgegeben ist, und/oder eb) der bei fortlaufendem Umsetzen zu Wasser noch fließende Strom einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder unterschreitet, wobei der Grenzwert durch einen Maximalwert für den in der Luft noch enthaltenen Sauerstoff relativ zu dem in der Brennstoffzelle (2) vorhandenen Wasserstoff vorgegeben ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft, bei denen einer Brennstoffzelle auf einer Seite Luft und auf der anderen Seite Wasserstoff zugeführt wird, wobei in der Luft enthaltener Sauerstoff in der Brennstoffzelle mit dem Wasserstoff zu Wasser umgesetzt wird.
STAND DER TECHNIK
Das Dokument DE 10 2005 053 692 B3 betrifft ein Brandschutzsystem zur Verminderung der Brandgefahr in einem Raum in einem Flugzeug. Dazu wird einer Brennstoffzelle Luft zugeführt, in der ein Teil des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs umgesetzt wird. Die mit Sauerstoff abgereicherte Luft wird dann dem Raum in dem Flugzeug zugeführt. Über Sensoren, die in dem Raum des Flugzeugs angeordnet sind, wird ermittelt, ob der Anteil des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs weiter reduziert werden soll. In dem Fall, wird der Brennstoffzelle anstatt von Außenluft Luft aus dem Raum in dem Flugzeug nochmals zugeführt.
In dem Dokument US 4,792,502 A ist ein Verfahren zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft offenbart, bei dem einer Brennstoffzelle Luft und Wasserstoff zugeführt werden und der in der Luft enthaltene Sauerstoff in der Brennstoffzelle mit dem zugeführten Wasserstoff zu Wasser umgesetzt wird. Die so mit Sauerstoff abgereicherte Luft, die bereits nach einmaligem Durchlaufen der Brennstoffzelle im Wesentlichen nur noch Stickstoff enthalten soll, wird dann einer Gasverflüssigungsanlage zugeführt. Der von der Brennstoffzelle bei der Umsetzung erzeugte Strom kann beispielsweise zur elektrischen Versorgung der Gasverflüssigungsanlage verwendet werden.
Aus der WO 2007/021173 A1 ist es ebenfalls bekannt, eine Brennstoffzelle einzusetzen, um Stickstoff aus Luft zu generieren.
Bei einem aus dem Dokument DD 85 336 A1 bekannten Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasserdampf und Stickstoff aus Luft werden energieverbrauchende Festkörperelektrolytzellen, die unter Verbrauch von elektrischer Energie aus Wasserdampf Sauerstoff abtrennen, mit energieliefernden Festkörperelektrolytzellen kombiniert, die als Brennstoffzellen arbeiten und Luftsauerstoff mit einem brennbaren Gas umsetzen, wobei Stickstoff als Restkomponente geliefert wird. Dabei kommen nicht einzelne Festkörperelektrolytzellen zum Einsatz, sondern es sind jeweils mehrere Festkörperelektrolytzellen in Reihe geschaltet. Um zu verhindern, dass es nach Durchlaufen mehrerer als Brennstoffzellen arbeitenden Festkörperelektrolytzellen infolge eines verschwindenden Sauerstoffgehalts in der Luft zu einer Zersetzung des Elektrolyten in einer nachfolgenden Brennstoffzelle kommt, wird der zugeführten Luft Wasserdampf zugesetzt, dessen Zerlegung beginnt, wenn kein Luftsauerstoff mehr in der der Brennstoffzelle zugeführten Luft enthalten ist. Gemäß der DD 85 336 A1 wird ausgenutzt, dass anhand einer abfallenden Gesamtspannung erkannt wird, dass kein Sauerstoff mehr aus der Luft abgetrennt, sondern Wasserdampf zerlegt wird, um in Abhängigkeit von der Gesamtspannung den Luftstrom so zu regeln, dass nach Durchlaufen der Brennstoffzellen möglichst wenig oder kein Sauerstoff in dem Luftstrom verbleibt.
Aus dem Dokument US 5,330,857 A ist ein Verfahren zur Herstellung von Stickstoff bekannt, bei dem einer Brennstoffzelle Luft zugeführt wird und in der Brennstoffzelle der Anteil des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs reduziert und so der Anteil des in der Luft enthaltenen Stickstoffs gesteigert wird. Gemäß der US 5,330,857 A wird vorgeschlagen, die Reduktion des Anteils des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs darüber zu steuern, wie viel oxidierendes Gas der Brennstoffzelle zugeführt wird. Konkret ist der Einsatz eines steuerbaren Drosselventils vorgeschlagen, mit dem die Zufuhr von oxidierendem Gas gesteuert werden kann.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft vorzuschlagen, die hinsichtlich ihrer Effizienz, der Qualitätssicherung und/oder in der Steuerung zur Gewinnung von Stickstoff verbessert und/oder vereinfacht sind.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft, bei denen die Luft auf einer Seite einer Brennstoffzelle zugeführt wird und auf der anderen Seite der Brennstoffzelle Wasserstoff zugeführt wird, wird in der Luft enthaltener Sauerstoff in der Brennstoffzelle mit dem Wasserstoff zu Wasser umgesetzt. Die so mit Sauerstoff abgereicherte Luft wird dann abgeführt und kann dann für die jeweilige Anwendung eingesetzt werden. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass bei derartigen Verfahren nicht sicher ausgeschlossen werden kann, dass u. U. sogar erhebliche Schwankungen des Sauerstoffgehalts in der abgeführten Luft auftreten, was je nach Verwendung der mit Sauerstoff abgereicherten Luft problematisch sein kann. Bei einem erfindungsgemäß Verfahren wird die Luft daher erst dann abgeführt, wenn sichergestellt ist, dass der Anteil des noch in der Luft enthaltenen Sauerstoffs ausreichend gering ist. Dabei wird ausgenutzt, dass die Brennstoffzelle selbst im Betrieb einen Parameter dafür bereitstellt, anhand dessen überprüft werden kann, ob der Anteil des noch in der Luft enthaltenen Sauerstoffs ausreichend gering ist. Mit dem Verfahren können so höhere Qualitätsanforderungen erfüllt werden, ohne dass dies einen wesentlichen Mehraufwand bedeutet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft wird die Luft auf einer Seite einer Brennstoffzelle zugeführt wird, während auf der anderen Seite der Brennstoffzelle Wasserstoff zugeführt wird. In der Luft enthaltener Sauerstoff wird in der Brennstoffzelle mit dem Wasserstoff zu Wasser umgesetzt wird. Dadurch wird die Luft mit Sauerstoff abgereichert. Um den Abreicherungserfolg zu erfassen und danach beurteilen zu können, ob der in der Luft noch enthaltene Anteil des Sauerstoffs ausreichend gering ist, wird erfindungsgemäß ein elektrischer Strom erfasst, der aufgrund des Umsetzens zu Wasser zwischen den Seiten der Brennstoffzelle fließt. Dieser elektrische Strom zeigt an, wie viel in der Luft enthaltener Sauerstoff momentan in der Brennstoffzelle mit dem Wasserstoff zu Wasser umgesetzt wird. Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Umsetzen des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs mit dem Wasserstoff zu Wasser erst dann beendet und die Luft abgeführt, wenn das Integral des Stroms, der seit dem Zuführen der Luft zwischen den Seiten der Brennstoffzelle beim Umsetzen zu Wasser geflossen ist, einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet. Dabei ist der Grenzwert durch einen Mindestwert für den umzusetzenden Sauerstoff aus der Luft vorgegeben. Alternativ oder kumulativ kann das Umsetzen zu Wasser erst dann beendet und die Luft abgeführt werden, wenn der bei fortlaufendem Umsetzen zu Wasser noch fließende Strom einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder unterschreitet, wobei der Grenzwert durch einen Maximalwert für den in der Luft noch enthaltenen Sauerstoff relativ zu dem in der Brennstoffzelle vorhandenen Wasserstoff vorgegeben ist.
Bei fortlaufenden Umsetzen zu Wasser nimmt der zwischen den beiden Seiten der Brennstoffzelle fließende Strom – zumindest dann, wenn man von einem geschlossenen System ausgeht, in dem keine frische Luft auf der einen Seite der Brennstoffzelle nachgeführt wird – kontinuierlich mit der Zeit ab. Wie viel Strom fließt, kann dabei auch davon abhängen, wie viel Wasserstoff in der Brennstoffzelle noch vorhanden ist. Um anhand des noch fließenden Stroms ermitteln zu können, ob ein vorgegebener Abreicherungserfolg erreicht worden ist, wird der noch fließende Strom bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Grenzwert verglichen, der durch einen Maximalwert für den in der Luft noch enthaltenen Sauerstoff relativ zu dem in der Brennstoffzelle vorhandenen Wasserstoff vorgegeben ist. Wenn der noch fließende Strom diesen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder unterschreitet, ist sichergestellt, dass in der Luft nicht mehr Sauerstoff enthalten ist, als durch den Maximalwert vorgegeben ist.
Alternativ oder kumulativ wird das Integral des Stroms, der seit dem Zuführen der Luft geflossen ist, als Parameter für den Abreicherungserfolg verwendet. Das Integral des Stroms, der seit dem Zuführen der Luft zwischen den Seiten der Brennstoffzelle beim Umsetzen zu Wasser geflossen ist, zeigt an, wie viel in der Luft enthaltener Sauerstoff insgesamt seit dem Zuführen der Luft in der Brennstoffzelle umgesetzt worden ist. Das Integral des Stroms ist somit ein Maß dafür, wie viel Sauerstoff bereits aus der Luft entfernt worden ist. Indem das Umsetzen zu Wasser erst dann beendet wird und die Luft erst dann abgeführt wird, wenn das Integral des Stroms den vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet, ist gewährleistet, dass der dem Grenzwert entsprechende Mindestwert für den umzusetzenden Sauerstoff aus der Luft auch tatsächlich in der Brennstoffzelle mit dem Wasserstoff zu Wasser umgesetzt worden ist und somit nicht mehr in der abgeführten Luft enthalten ist.
Bei zumindest näherungsweise bekannter Zusammensetzung der der Brennstoffzelle zugeführten Luft kann als Mindestwert für den umzusetzenden Sauerstoff beispielsweise mit mindestens 98% oder mehr des gesamten in der Luft enthaltenen Sauerstoffs angesetzt werden. Oftmals ist es jedoch ausreichend, wenn der in der Luft enthaltene Sauerstoff nicht vollständig entfernt wird, sondern auf einen Bruchteil reduziert wird. So kann es bereits ausreichend sein, wenn der Mindestwert mit 75% des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs angesetzt wird.
Insbesondere kann der Mindestwert für den umzusetzenden Sauerstoff aus der Luft dadurch ermittelt werden, dass vor dem Zuführen der Luft gemessen wird, wie viel Sauerstoff in der zugeführten Luft enthalten ist. Dieser Wert oder ein Bruchteil dieses Werts kann dann als Mindestwert für den umzusetzenden Sauerstoff aus der Luft verwendet und so der Grenzwert vorgegeben werden, der erreicht oder überschritten werden muss, bevor das Umsetzen zu Wasser beendet und die Luft abgeführt wird.
Die Luft muss, bevor sie abgeführt wird, nicht zwangsläufig in der Brennstoffzelle selbst bevorratet werden. Vielmehr kann auch ein geschlossenes System vorgesehen sein, in dem die Luft zirkulieren und u. U. wiederholt die Brennstoffzelle durchlaufen kann. Beispielsweise kann die Brennstoffzelle dazu mit einer Rückführleitung versehen sein, über die Luft, welche die Brennstoffzelle bereits einmal durchlaufen hat, zurückgeführt und der Brennstoffzelle auf der einen Seite nochmals zugeführt wird (Loopbetrieb). Die Luft wird von dem geschlossenen System erst dann ausgegeben, wenn mindestens eines der oben genannten Kriterien erfüllt ist.
Um das Volumen an bereitgestellter Luft zu erhöhen, kann auch ein Pufferbehälter vorgesehen sein, der z. B. in der Rückführleitung angeordnet ist. Zum Zirkulieren der Luft durch die Brennstoffzelle kann weiterhin eine Pumpe in der Rückführleitung angeordnet sein.
In dem Loopbetrieb kann die abgeführte Luft kontinuierlich ausgegeben werden, wobei eine der ausgegebenen Luftmenge entsprechende Menge an frischer, noch nicht mit Sauerstoff abgereicherter Luft über den ersten Eingangsanschluss automatisch nachgesaugt wird. Ab welchem Zeitpunkt und/oder wie viel Luft ausgegeben wird, kann dabei entweder mittels des ermittelten Restsauerstoffwertes oder mittels des Brennstoffzellenstromes oder des zugeführten Wasserstoffs festgelegt werden.
Um sicherzustellen, dass ein Umsetzen von Sauerstoff aus der Luft nicht dadurch begrenzt oder sogar beendet wird, dass kein Wasserstoff mehr in der Brennstoffzelle vorhanden ist, wird die Brennstoffzelle vorzugsweise mit einem Überschuss an Wasserstoff betrieben. Dazu kann der anderen Seite der Brennstoffzelle fortlaufend Wasserstoff zugeführt werden, sodass der Menge an Wasserstoff in der Brennstoffzelle ausreichend hoch ist, um zu gewährleisten, dass das Umsetzen mit dem noch enthaltenen Sauerstoff effizient abläuft. Mit fortlaufendem Umsetzen zu Wasser nimmt jedoch der Anteil des in der Luft noch enthaltenen Sauerstoffs ab. Somit kann es bei fortlaufendem Umsetzen ausreichend sein, wenn der anderen Seite der Brennstoffzelle weniger Wasserstoff zugeführt wird, als unmittelbar nach dem Zuführen der Luft auf der einen Seite der Brennstoffzelle.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Abhängigkeit von dem bei fortlaufendem Umsetzen zu Wasser noch fließende Strom gesteuert, wie viel Wasserstoff der Brennstoffzelle zugeführt wird. Der bei fortlaufendem Umsetzen zu Wasser noch fließende Strom ist nicht nur ein Maß dafür, wie viel Sauerstoff umgesetzt wird, d. h. wie viel Sauerstoff verbraucht wird. Vielmehr ist der noch fließende Strom auch ein Maß dafür, wie viel Wasserstoff zukünftig noch benötigt wird. Indem der Wert für den noch fließenden Strom dazu verwendet wird, um zu steuern, wie viel Wasserstoff der Brennstoffzelle zugeführt wird, kann somit sichergestellt werden, dass der Brennstoffzelle gerade so viel Wasserstoff zugeführt wird, wie für ein effizientes Umsetzen mit dem noch vorhandenen Sauerstoff zu Wasser erforderlich ist. Insbesondere kann so vermieden werden, dass der Brennstoffzelle unnötig viel Wasserstoff zugeführt wird.
Nach dem Abführen der Luft kann die abgeführte Luft getrocknet werden, um sie z. B. wieder von dem Wasser zu befreien, das beim Umsetzen des Sauerstoffs erzeugt und als Dampf von der Luft aufgenommen wurde. Weiterhin kann die abgeführte Luft durch das Trocknen auch von dem Wasser befreit werden, das bereits in der zugeführten Luft enthalten ist. Wenn die Luft der freien Umgebung entnommen wird, weist sie z. B. die dort vorhandene Luftfeuchtigkeit auf. Um die Luft zu trocknen, kann die abgeführte Luft beispielsweise einer Trocknereinheit, die z. B. als Kältefalle mit kaskadierten Peltierelementen oder als wasserundurchlässige Membran ausgeführt ist, zugeführt werden.
Der der anderen Seite der Brennstoffzelle zugeführte Wasserstoff kann beispielsweise einem Wasserstoffvorratsbehälter, einer Druckflasche oder einem chemischen Speicher, vorzugsweise einem Metallhydridspeicher, entnommen werden. Der Wasserstoff kann jedoch auch mit einem Elektrolyseur bereitgestellt werden. Der Elektrolyseur kann beispielsweise eine elektrochemische Zelle sein, der Wasser zugeführt wird, das unter Verbrauch von elektrischer Energie in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten wird. Die Menge an Wasserstoff, die mit dem Elektrolyseur bereitgestellt wird, ist proportional zu einem zwischen den beiden Seiten des Elektrolyseurs fließenden Strom und hängt dabei von einer zwischen den beiden Seiten des Elektrolyseurs anliegenden Spannung ab. Über die zwischen den Seiten des Elektrolyseurs anliegende Spannung kann also gesteuert werden, wie viel Wasserstoff mit dem Elektrolyseur bereitgestellt wird, d. h. wie viel Wasserstoff der anderen Seite der Brennstoffzelle zugeführt wird. Eine Steuerung der der Brennstoffzelle zugeführten Wasserstoffmenge kann so durch Veränderung der zwischen den Seiten des Elektrolyseurs anliegenden Spannung erreicht werden.
Für das Bereitstellen von Wasserstoff muss dem Elektrolyseur Wasser zugeführt werden. Dazu kann beispielsweise das Wasser verwendet werden, das in der Brennstoffzelle beim Umsetzen des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs mit dem Wasserstoff generiert wird. Dazu kann auch das in der Trocknereinheit generierte Wasser dem Elektrolyseur zugeführt werden. So kann das Verfahren zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft besonders ressourcensparend durchgeführt werden.
Bei dem Umsetzen des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs in der Brennstoffzelle mit dem Wasserstoff zu Wasser fließt ein Strom zwischen den Seiten der Brennstoffzelle. Für ein besonders verbrauchsarmes Verfahren kann zumindest ein Teil des zwischen den Seiten der Brennstoffzelle fließenden Stroms z. B. zum Betreiben des Elektrolyseurs und/oder der Trocknereinheit verwendet werden. Insbesondere wenn mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet sind, um große Mengen an mit Sauerstoff abgereicherter Luft bereitzustellen, reicht die generierte elektrische Leistung aus, um die für den Elektrolyseur erforderliche Zersetzungsspannung bereitzustellen. Alternativ oder kumulativ kann der Strom auch zur elektrischen Versorgung von anderen Geräten oder zur Einspeisung in ein öffentliches Netz verwendet werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft weist eine Brennstoffzelle auf, die auf einer Seite einen ersten Eingangsanschluss zum Zuführen von Luft aufweist und auf der anderen Seite einen zweiten Eingangsanschluss zum Zuführen von Wasserstoff aufweist. Im Betrieb der Vorrichtung wird der Brennstoffzelle auf der einen Seite Luft und auf der anderen Seite Wasserstoff zugeführt, wobei der in der Luft enthaltene Sauerstoff in der Brennstoffzelle mit dem Wasserstoff zu Wasser umgesetzt wird. Dabei fließt ein Strom zwischen den Seiten der Brennstoffzelle. Dieser Strom, der aufgrund des Umsetzens von in der Luft enthaltenem Sauerstoff mit dem Wasserstoff zu Wasser zwischen den Seiten der Brennstoffzelle fließt, wird über einen Sensor der Vorrichtung erfasst. Weiterhin ist die Vorrichtung so ausgebildet, dass die Vorrichtung erst dann von der Brennstoffzelle abgeführte Luft ausgibt, wenn

– das Integral des Stroms, der seit dem Zuführen der Luft zwischen den Seiten der Brennstoffzelle beim Umsetzen zu Wasser geflossen ist, einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet, wobei der Grenzwert durch einen Mindestwert für den umzusetzenden Sauerstoff aus der Luft vorgegeben ist, und/oder
– der bei fortlaufendem Umsetzen zu Wasser noch fließende Strom einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder unterschreitet, wobei der Grenzwert durch einen Maximalwert für den in der Luft noch enthaltenen Sauerstoff relativ zu dem in der Brennstoffzelle vorhandenen Wasserstoff vorgegeben ist.

So kann gewährleistet werden, dass die von der Vorrichtung ausgegebene Luft um einen Mindestwert für den Sauerstoff abgereichert ist und/oder nicht mehr als ein vorgegebener Maximalwert an Sauerstoff in der ausgegebenen Luft enthalten ist.
Als Brennstoffzelle kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung insbesondere eine Niedertemperatur- oder Hochtemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle oder eine alkalische Hochtemperatur-Oxyd-Brennstoffzelle zum Einsatz kommen.
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Ventil vorgesehen, das eine Durchlassstellung und eine Sperrstellung aufweist. Dabei ist der Vorrichtung nur dann von der Brennstoffzelle abgeführte Luft entnehmbar, wenn das Ventil die Durchlassstellung einnimmt. Über das Ventil kann somit gesteuert werden, wann der Vorrichtung die von der Brennstoffzelle abgeführte Luft entnommen werden kann. Dazu wird das Ventil derart gesteuert, dass die Durchlassstellung erst dann eingenommen wird, wenn zumindest eines der oben genannten Kriterien erfüllt ist.
Wenn das Ventil die Sperrstellung einnimmt, ist ein Entnehmen von Luft, die von der Brennstoffzelle abgeführt wird, unterbunden. Dies kann damit verbunden sein, dass die Luft in der Brennstoffzelle ”stillsteht”. Um eine Durchmischung der Luft in der Brennstoffzelle sowie in etwaigen Zuführ- und Abführleitungen zu fördern, kann bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass ein Ausgangsanschluss der einen Seite der Brennstoffzelle mit dem Eingangsanschluss für dieselbe Seite der Brennstoffzelle fluidisch verbunden ist, wenn das Ventil die Sperrstellung einnimmt. In dem Fall kann in der Sperrstellung des Ventils ein Umwälzen der Luft in der Vorrichtung erfolgen, womit die Effizienz beim Abreichern der Luft mit Sauerstoff erhöht werden kann.
Um einen Mindestwert für den umzusetzenden Sauerstoff aus der Luft zu ermitteln, kann ein Sensor vorgesehen sein, mit dem der Anteil des Sauerstoffs an der Luft, welche der einen Seite der Brennstoffzelle zugeführt wird, erfasst werden kann. Dieser Wert oder ein Bruchteil des erfassten Werts, z. B. ein Wert zwischen 60 und 90% des ermittelten Sauerstoffs in der Luft, kann dann als Mindestwert für den umzusetzenden Sauerstoff aus der Luft verwendet werden, durch den der Grenzwert vorgegeben ist, den das Integral des Stroms erreichen über überschreiten muss, bevor das Ventil die Durchlassstellung einnimmt und der Vorrichtung von der Brennstoffzelle abgeführte Luft entnommen werden kann.
Weiterhin kann die Vorrichtung einen Sensor aufweisen, mit dem die Menge an zugeführtem Wasserstoff erfassbar ist. Insbesondere kann über die erfasste Menge an zugeführtem Wasserstoff und anhand des Integrals des Stroms, der seit dem Zuführen der Luft zwischen den Seiten der Brennstoffzelle geflossen ist, ermittelt werden, wie viel Wasserstoff momentan in der Brennstoffzelle vorhanden ist.
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, mit der steuerbar ist, wie viel Wasserstoff der Brennstoffzelle zugeführt wird. Die Steuereinrichtung kann insbesondere so ausgebildet sein, dass sie die Menge an zugeführtem Wasserstoff in Abhängigkeit von dem bei fortlaufendem Umsetzen zu Wasser noch fließenden Strom steuert. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass ausreichend Wasserstoff in der Brennstoffzelle vorhanden ist, um ein effizientes Umsetzen des noch in der Luft vorhandenen Sauerstoffs mit dem Wasserstoff zu Wasser zu ermöglichen, ohne dass der Brennstoffzelle unnötig viel Wasserstoff zugeführt wird. Wenn ein Elektrolyseur zum Bereitstellen des zugeführten Wasserstoffs verwendet wird und wenn es sich um ein zumindest näherungsweise gasdichtes System handelt, kann der Elektrolysestrom beispielsweise in direkter Abhängigkeit von dem Wert des erfassten elektrischen Stroms gesteuert und/oder geregelt werden, da der zwischen den Seiten fließende Strom anzeigt, wie viel Sauerstoff momentan umgesetzt wird und somit ein Maß für den in der Luft noch enthaltenen Sauerstoff ist.
Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Trocknereinheit zum Trocknen der abgeführten Luft und/oder einen Elektrolyseur, der den Wasserstoff bereitstellt, aufweisen.
Hinsichtlich weiterer bevorzugter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelten die obigen Ausführungen entsprechend.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs ”mindestens” bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft.
4 zeigt stark schematisiert eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft.
FIGURENBESCHREIBUNG
1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer Brennstoffzelle 2. Auf einer Seite 3 der Brennstoffe 2 ist ein Eingangsanschluss 4 zum Zuführen von Luft vorgesehen, während auf der anderen Seite 5 ein zweiter Eingangsanschluss 6 zum Zuführen von Wasserstoff vorgesehen ist. Die Eingangsanschlüsse 4, 6 sind dabei über fluidische Verbindungsleitungen 7, 10 mit entsprechenden Eingangsanschlüssen 8, 9 der Vorrichtung 1 verbunden.
Die beiden Seiten 3, 5 der Brennstoffzelle 2 sind durch einen Elektrolyten 11 voneinander getrennt. Bei dem Elektrolyten 11 kann es sich grundsätzlich um einen Protonen-leitenden oder einen Sauerstoffionen-leitenden Elektrolyten handeln. Günstig ist die Verwendung einer Polymerelektrolytmembran (PEM) als Feststoffelektrolyt. Auf jeder Seite 3, 5 der Brennstoffzelle 2 ist eine Elektrode 12, 13 vorgesehen, wobei die Elektroden 12, 13 über eine elektrische Verbindungsleitung 14 miteinander elektrisch leitend verbunden sind. In der elektrischen Verbindungsleitung 14 ist ein veränderbarer Widerstand 15 vorgesehen. Weiterhin ist in der Verbindungsleitung 14 ein Sensor 16 vorgesehen, über den ein elektrischer Strom in der Verbindungsleitung 14 erfasst werden kann.
Wenn der Brennstoffzelle 2 über den ersten Eingangsanschluss 4 Luft zugeführt wird und über den zweiten Eingangsanschluss 6 Wasserstoff zugeführt wird, wird der in der Luft enthaltene Sauerstoff in der Brennstoffzelle 2 mit dem Wasserstoff zu Wasser umgesetzt. Aufgrund des Umsetzens zu Wasser wird der Anteil des Sauerstoffs, der in der auf der einen Seite 3 befindlichen Luft enthalten ist, reduziert. Die nach dem Umsetzen zu Wasser an Sauerstoff abgereicherte Luft wird über einen Ausgangsanschluss 17, der auf derselben Seite 3 angeordnet ist, wie der Eingangsanschluss 4, abgeführt. Der Ausgangsanschluss 17 ist dabei über eine fluidische Verbindungsleitung 18 mit einem Ausgangsanschluss 19 der Vorrichtung 1 verbunden, über den die mit Sauerstoff abgereicherte Luft ausgegeben werden kann.
Das beim Umsetzen erzeugte Wasser kann über einen Ausgangsanschluss 20, der über eine fluidische Verbindungsleitung 21 mit einem entsprechenden Ausgangsanschluss 22 der Vorrichtung 1 verbunden ist, abgeführt werden.
Das Umsetzen der Sauerstoffs mit Wasserstoff zu Wasser hat zur Folge, dass zwischen den beiden Seiten 3, 5 ein elektrischer Strom fließt, der über den Sensor 16 erfasst werden kann.
Die Stromstärke hängt dabei davon ab, wie viel Sauerstoff und Wasserstoff momentan zu Wasser umgesetzt werden. Entsprechend zeigt ein Integral über den seit dem Zuführen der Luft geflossenem Strom an, wie viel Sauerstoff und Wasserstoff seit dem Zuführen der Luft insgesamt zu Wasser umgesetzt worden sind. Auch der Momentanwert des Stromes zeigt den Prozesszustand auf der Luftseite, zumindest bei genügend angebotenem Wasserstoff. Anders ausgedrückt kann anhand des momentan fließenden Stroms abgelesen werden, auf welchen Wert sich der in der Luft enthaltene Sauerstoff bereits reduziert hat. Anhand des seit dem Zuführen der Luft insgesamt geflossenen Stroms kann abgelesen werden, um welche Menge der in der Luft enthaltene Sauerstoff reduziert worden ist. Anhand des noch fließenden Stroms und/oder anhand des Integrals des Stroms, der seit dem Zuführen der Luft zwischen den Seiten 3, 5 der Brennstoffzelle 2 beim Umsetzen zu Wasser geflossen ist, kann also ermittelt werden, ob die Luft bereits ausreichend mit Sauerstoff abgereichert ist und über den Ausgangsanschluss 19 der Vorrichtung 1 zur weiteren Verwendung abgeführt werden kann. Das Ausgeben von Luft wird bei der Vorrichtung 1 derart gesteuert, dass die über den Ausgangsanschluss 17 von der Brennstoffzelle 2 abgeführte Luft erst dann über den Ausgangsanschluss 19 ausgegeben wird, wenn

– das Integral des Stroms, der seit dem Zuführen der Luft zwischen den Seiten 3, 5 der Brennstoffzelle 2 beim Umsetzen zu Wasser geflossen ist, einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet, wobei der Grenzwert durch einen Mindestwert für den umzusetzenden Sauerstoff aus der Luft vorgegeben ist, und/oder
– der bei fortlaufendem Umsetzen zu Wasser noch fließende Strom einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder unterschreitet, wobei der Grenzwert durch einen Maximalwert für den in der Luft noch enthaltenen Sauerstoff relativ zu dem in der Brennstoffzelle 2 vorhandenen Wasserstoff vorgegeben ist.

Um das Ausgeben der von der Brennstoffzelle 2 abgeführten Luft nach diesen Kriterien zu steuern, weist die Vorrichtung 1 eine Steuereinrichtung 23 auf, mit der ein Ventil 24, das in der Verbindungsleitung 18 zwischen den Ausgangsanschlüssen 17, 19 angeordnet ist, gesteuert wird. Der Steuereinrichtung 23 wird ein Ausgangssignal des Sensors 16 zugeführt, und unter Verwendung des Ausgangssignals für den erfassten elektrischen Strom generiert die Steuereinrichtung 23 ein Steuersignal für das Ventil 24. Weiterhin wird von der Steuereinrichtung 23 ein Ventil 25, das in der Verbindungsleitung 7 zwischen den Eingangsanschlüssen 9 und 4 angeordnet ist, angesteuert, um so das Zuführen von Luft zu der Brennstoffzelle 2 zu steuern. Die Steuersignale für die Ventile 24, 25 werden dabei über Steuerleitungen 26, 27 übertragen.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung 1 ist das Ventil 25 als ein 3/2-Wegeventil 28 ausgebildet. In der in 1 gezeigten Schaltstellung des Ventils 25 ist der Eingangsanschluss 4, über den der einen Seite 3 der Brennstoffzelle 2 Luft zugeführt wird, mit dem Eingangsanschluss 9 der Vorrichtung 1 verbunden, über den der Vorrichtung 1 Luft zugeführt werden kann. Wenn das Ventil 25 in seine andere Schaltstellung überführt wird, ist die fluidische Verbindung des Eingangsanschlusses 9 und des Eingangsanschlusses 4 gesperrt, d. h. der Brennstoffzelle 2 kann dann keine frische Luft von außen zugeführt werden. Vielmehr ist der Eingangsanschluss 4 dann mit einer Rückführleitung 29 verbunden, über die von der Brennstoffzelle 2 abgeführte Luft zu dem Eingangsanschluss 4 zurückgeführt werden kann, womit die bereits abgeführte Luft ein weiteres Mal die Brennstoffzelle 2 durchläuft und somit weiter mit Sauerstoff abgereichert werden kann. In der Rückführleitung 29 kann auch ein hier nicht dargestellter Pufferbehälter für Luft angeordnet sein, um das Volumen der auf einen Schlag behandelten Luft zu erhöhen. Um die Luft zwangsweise durch die Brennstoffzelle 2 zirkulieren zu lassen, ist zwischen dem Ventil 25 und dem Eingangsanschluss 4 eine Pumpe 45 vorgesehen. Die Steuerung der Pumpe 45 erfolgt bei der in 1 dargestellten Ausführungsform über die Steuereinrichtung 23. Es kann aber auch eine separate Steuereinrichtung für die Pumpe 45 vorgesehen sein. Wenn die Steuerung der Pumpe 45 ebenfalls über die Steuereinrichtung 23 erfolgt, kann die Steuerung der Pumpe 45 und damit die Umwälzung der Luft insbesondere in Abhängigkeit von dem Abreicherungserfolg gesteuert werden.
Das Ventil 24 ist in der in 1 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 1 ebenfalls als ein 3/2-Wegeventil 30 ausgebildet. Die in 1 gezeigte Stellung des Ventils 24 entspricht seiner Durchlassstellung, in der der Ausgangsanschluss 17 der Brennstoffzelle 2 mit dem Ausgangsanschluss 19 der Vorrichtung 1, über den die von der Brennstoffzelle 2 abgeführte Luft ausgegeben werden kann, fluidisch verbunden ist. Neben der in 1 gezeigten Durchlassstellung weist das Ventil 24 eine Sperrstellung auf, in der die fluidische Verbindung der Ausgangsanschlüsse 17 und 19 gesperrt ist und der Ausgangsanschluss 17 stattdessen mit der Rückführleitung 29 fluidisch verbunden ist. Je nach Schaltstellung des Ventils 25 kann dann von der Brennstoffzelle 2 abgeführte Luft über die Rückführleitung 29 erneut über den Eingangsanschluss 4 der einen Seite 3 der Brennstoffzelle 2 zugeführt werden. Mit dem nochmaligen Durchlaufen der Brennstoffzelle 2 kann der Anteil des in der Luft noch enthaltenen Sauerstoffs weiter reduziert werden. Insbesondere kann die Steuerung derart erfolgen, dass die von der Brennstoffzelle 2 abgeführte Luft so lange über die Rückführleitung 29 rückgeführt und der Brennstoffzelle 2 erneut zugeführt wird, bis

– das Integral des Stroms, der seit dem erstmaligen Zuführen der Luft zwischen den Seiten 3, 5 der Brennstoffzelle 2 beim Umsetzen zu Wasser geflossen ist, den vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet und/oder
– der bei fortlaufendem Umsetzen zu Wasser noch fließende Strom den Grenzwert, der durch den Maximalwert für den in der Luft noch enthaltenen Sauerstoff relativ zu dem in der Brennstoffzelle 2 vorhandenen Wasserstoff vorgegeben ist, erreicht oder unterschritten ist.

Wenn bekannt ist, wie viel Sauerstoff in der der Vorrichtung 1 zugeführten Luft enthalten ist, kann der Grenzwert, den das Integral des Stroms erreichen oder überschreiten muss, bevor die von der Brennstoffzelle 2 abgeführte Luft ausgegeben wird, manuell vorgegeben werden. Beispielsweise kann dazu ein Eingabemittel vorgesehen sein, über das der bekannte Anteil des Sauerstoffs an der Luft oder ein Bruchteil davon eingegeben und so der Grenzwert vorgegeben werden kann. Auch die Vorgabe des Grenzwerts, der durch den Maximalwert für den in der Luft noch enthaltenen Sauerstoff relativ zu dem in der Brennstoffzelle 2 vorhandenen Wasserstoff vorgegeben ist, kann manuell vorgegeben werden. Beispielsweise kann hierzu über das Eingabemittel eingegeben werden, wie viel Sauerstoff maximal in der ausgegebenen Luft enthalten sein darf. Unter Berücksichtigung des Werts für den der Brennstoffzelle 2 zugeführten Wasserstoff kann dann ermittelt werden, ob der Anteil des Sauerstoffs an der von der Brennstoffzelle 2 abgeführten Luft ausreichend gering ist und die von der Brennstoffzelle 2 abgeführte Luft von der Vorrichtung 1 ausgegeben werden kann.
Alternativ zu der manuellen Vorgabe des Mindestwerts für den umzusetzenden Sauerstoff aus der Luft kann dieser Mindestwert auch automatisch von der Vorrichtung 1 ermittelt werden. Dazu ist bei der in 2 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Sensor 31 vorgesehen, mit dem der Anteil des Sauerstoffs an der Luft, welcher der einen Seite 3 der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird, erfasst wird. Ein von dem Sensor 31 ausgegebenes Messsignal, das den Anteil des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs anzeigt, wird der Steuereinrichtung 22 bereitgestellt. Unter Verwendung des Messsignals kann dann in der Steuereinrichtung 22 der Grenzwert ermittelt werden, der von dem Integral des Stroms erreicht oder überschritten werden muss, bevor die von der Brennstoffzelle 2 abgeführte Luft über den Ausgangsanschluss 19 der Vorrichtung 1 ausgegeben wird.
Weiterhin unterscheidet sich die in 2 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung 1 von der in der 1 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass die Ventile 24, 25 nicht als 3/2-Wegeventile 28, 30, sondern als 3/3-Wegeventile 32, 33 ausgebildet sind. Neben der Durchlassstellung und der Sperrstellung, die bei dem 3/2-Wegeventil 30 gemäß 1 vorgesehen ist, weist das als 3/3-Wegeventil 33 ausgebildete Ventil 24 eine weitere Schaltstellung auf, in der ein Teil der von der Brennstoffzelle 2 abgeführten Luft dem Ausgangsanschluss 19 der Vorrichtung 1 zugeführt wird, während ein anderer Teil der von der Brennstoffzelle 2 abgeführten Luft über die Rückführleitung 29 erneut der Brennstoffzelle 2 zugeführt werden kann. Auch das als 3/3-Wegeventil 32 ausgebildete Ventil 25 weist eine weitere Schaltstellung auf, in der der Eingangsanschluss 4 für das Zuführen von Luft zu der einen Seite 3 der Brennstoffzelle 2 zum einen mit der Rückführleitung 29 und zum anderen mit dem Eingangsanschluss 9 der Vorrichtung 1 fluidisch verbunden ist. Mit dem Einsatz von 3/3-Wegeventilen 32, 33 ist insbesondere auch eine kontinuierliche Entnahme der von der Brennstoffzelle 2 abgeführten Luft ermöglicht.
3 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung 1, die sich von der in 1 dargestellten Ausführungsformen darin unterscheidet, dass die Ausgabe von mit Sauerstoff abgereicherter Luft nicht diskontinuierlich, sondern kontinuierlich erfolgt. Dazu ist die Rückführleitung 29 an dem Punkt 44 direkt mit der Verbindungsleitung 7 verbunden. Die Pumpe 45, über die die Luft umgewälzt wird, um die Umsetzung des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs in der Brennstoffzelle 2 aufrechtzuerhalten, ist in der Verbindungsleitung 7 zwischen dem Punkt 44 und dem ersten Eingangsanschluss 4 angeordnet. Wenn ausreichend viel Sauerstoff umgesetzt worden und der vorgegebene Grenzwert unterschritten bzw. überschritten ist, wird das Ventil 24, das hier als Magnetventil 46 ausgebildet ist, in die Stellung beaufschlagt, in der von der Brennstoffzelle 2 abgeführte Luft nicht ausschließlich über die Rückführleitung 29 zu dem Eingangsanschluss 4 rückgeführt und der Brennstoffzelle 2 erneut zugeführt wird, sondern in der zumindest ein Teil der abgeführten Luft über den Anschluss 19 von der Vorrichtung 1 ausgegeben wird. Eine der ausgegebenen Menge an Luft entsprechende Menge an frischer Luft, die noch nicht mit Sauerstoff abgereichert ist, wird dann automatisch über den Anschluss 9 angesaugt.
Um steuern zu können, wie viel mit Sauerstoff abgereicherte Luft über den Anschluss 19 ausgegeben wird, wie viel Luft über die Rückführleitung 29 zurückgeführt wird und/oder wie viel frische Luft über den Eingangsanschluss 9 angesaugt wird, können in den Verbindungsleitungen 7, 18 und/oder der Rückführleitung 29 zusätzlich in 3 nicht dargestellte Drosselventile vorgesehen sein. Diese können wie auch die Pumpe 45 über die Steuereinrichtung 23 angesteuert werden. Die Steuerung kann dabei insbesondere so erfolgen, dass sich bei dem kontinuierlichen Ausgeben von mit Sauerstoff abgereicherter Luft und Zuführen von noch nicht mit Sauerstoff abgereicherter Luft ein Gleichgewichtszustand einstellt, in dem der Anteil des Sauerstoffs an der ausgegebenen Luft trotz des kontinuierlichen Zuführens von frischer Luft ausreichend gering bleibt.
4 zeigt stark schematisiert eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die neben der Brennstoffzelle 2 einen Elektrolyseur 34, der den Wasserstoff bereitstellt, und eine Trocknereinheit 35 zum Trocknen der von der Brennstoffzelle 2 abgeführten Luft aufweist. Der Elektrolyseur 34 weist einen Eingangsanschluss 36 auf, über den dem Elektrolyseur 34 Wasser zugeführt werden kann. Weiterhin weist der Elektrolyseur 34 einen Anschluss 37 für die elektrische Versorgung des Elektrolyseurs 34 auf. In dem Elektrolyseur 34 wird das zugeführte Wasser unter Verbrauch von elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Der Sauerstoff wird über einen Ausgangsanschluss 38 abgeführt, während der Wasserstoff über einen separaten Ausgangsanschluss 39 abgeführt und über den Eingangsanschluss 6 der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird.
Neben dem Wasserstoff wird der Brennstoffzelle 2 über den Eingangsanschluss 4 Luft zugeführt. Der in der zugeführten Luft enthaltene Sauerstoff wird mit dem Wasserstoff in der Brennstoffzelle 2 zu Wasser umgesetzt. Das Wasser wird dabei über den Ausgangsanschluss 26 abgeführt. Die mit Sauerstoff abgereicherte Luft wird von der Brennstoffzelle 2 abgeführt und – wenn mindestens der Mindestwert für den umzusetzenden Sauerstoff aus der Luft in der Brennstoffzelle 2 umgesetzt worden ist und/oder wenn ein Maximalwert für den in der Luft noch enthaltenen Sauerstoff relativ zu dem in der Brennstoffzelle vorhandenen Wasserstoff erreicht oder unterschritten ist – über den Ausgangsanschluss 19 ausgegeben. Die ausgegebene Luft wird dann über einen Eingangsanschluss 40 der Trocknereinheit 35 zugeführt. In der Trocknereinheit 35 wird in der ausgegebenen Luft enthaltenes Wasser entfernt. Die elektrische Versorgung der Trocknereinheit 35 erfolgt dabei über einen Anschluss 41. Nach dem Trocknen wird die getrocknete, mit Sauerstoff abgereicherte Luft über einen Ausgangsanschluss 42 ausgegeben. Das Wasser wird über einen Ausgangsanschluss 43 abgeführt.
Wie in 4 durch eine gestrichelte Linie angedeutet, können das von der Brennstoffzelle 2 und von der Trocknereinheit 35 abgeführte Wasser wiederverwendet werden, indem es dem Elektrolyseur 34 zugeführt wird, in dem das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die in der Brennstoffzelle 2 erzeugte elektrische Energie, die beim Umsetzen von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser erzeugt wird, zur elektrischen Versorgung des Elektrolyseurs 34 und/oder der Trocknereinheit 35 verwendet wird. Insbesondere ist so ein energie- und/oder ressourcensparender Betrieb der Vorrichtung 1 zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft möglich.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Brennstoffzelle
3: Seite
4: Eingangsanschluss
5: Seite
6: Eingangsanschluss
7: Verbindungsleitung
8: Eingangsanschluss
9: Eingangsanschluss
10: Verbindungsleitung
11: Elektrolyt
12: Elektrode
13: Elektrode
14: Verbindungsleitung
15: Widerstand
16: Sensor
17: Ausgangsanschluss
18: Verbindungsleitung
19: Ausgangsanschluss
20: Ausgangsanschluss
21: Verbindungsleitung
22: Ausgangsanschluss
23: Steuereinrichtung
24: Ventil
25: Ventil
26: Steuerleitung, in 4 Ausgangsanschluss
27: Steuerleitung
28: 3/2-Wegeventil
29: Rückführleitung
30: 3/2-Wegeventil
31: Sensor
32: 3/3-Wegeventil
33: 3/3-Wegeventil
34: Elektrolyseur
35: Trocknereinheit
36: Eingangsanschluss
37: Anschluss
38: Ausgangsanschluss
39: Ausgangsanschluss
40: Eingangsanschluss
41: Anschluss
42: Ausgangsanschluss
43: Ausgangsanschluss
44: Punkt
45: Pumpe
46: Magnetventil

Claims

Verfahren zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft, bei dem a) die Luft auf einer Seite (3) einer Brennstoffzelle (2) zugeführt wird, b) auf der anderen Seite (5) der Brennstoffzelle (2) Wasserstoff zugeführt wird und c) in der Luft enthaltener Sauerstoff in der Brennstoffzelle (2) mit dem Wasserstoff zu Wasser umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass d) ein elektrischer Strom erfasst wird, der aufgrund des Umsetzens zu Wasser zwischen den Seiten (3, 5) der Brennstoffzelle (2) fließt, und e) das Umsetzen zu Wasser erst dann beendet und die Luft abgeführt wird, wenn ea) das Integral des Stroms, der seit dem Zuführen der Luft zwischen den Seiten (3, 5) der Brennstoffzelle (2) beim Umsetzen zu Wasser geflossen ist, einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet, wobei der Grenzwert durch einen Mindestwert für den umzusetzenden Sauerstoff aus der Luft vorgegeben ist, und/oder eb) der bei fortlaufendem Umsetzen zu Wasser noch fließende Strom einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder unterschreitet, wobei der Grenzwert durch einen Maximalwert für den in der Luft noch enthaltenen Sauerstoff relativ zu dem in der Brennstoffzelle (2) vorhandenen Wasserstoff vorgegeben ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Zuführen der Anteil des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem bei fortlaufendem Umsetzen zu Wasser noch fließende Strom gesteuert wird, wie viel Wasserstoff der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeführte Luft getrocknet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der der Brennstoffzelle (2) zugeführte Wasserstoff mit einem Elektrolyseur (34) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Brennstoffzelle (2) und/oder einer Trocknereinheit (35) generierte Wasser dem Elektrolyseur (34) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des zwischen den Seiten (3, 5) der Brennstoffzelle (2) fließenden Stroms einem/dem Elektrolyseur (34) und/oder einer/der Trocknereinheit (35) zugeführt wird.
Vorrichtung (1) zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft mit einer Brennstoffzelle (2), die a) auf einer Seite (3) einen ersten Eingangsanschluss (4) zum Zuführen von Luft aufweist und b) auf der anderen Seite (5) einen zweiten Eingangsanschluss (6) zum Zuführen von Wasserstoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass c) ein Sensor (16) zum Erfassen des elektrischen Stroms, der aufgrund des Umsetzens von in der Luft enthaltenem Sauerstoff mit dem Wasserstoff zu Wasser zwischen den Seiten (3, 5) der Brennstoffzelle (2) fließt, vorgesehen ist und d) die Vorrichtung (1) derart steuerbar ist, dass erst dann von der Brennstoffzelle (2) abgeführte Luft ausgegeben wird, wenn da) das Integral des Stroms, der seit dem Zuführen der Luft zwischen den Seiten (3, 5) der Brennstoffzelle (2) beim Umsetzen zu Wasser geflossen ist, einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet, wobei der Grenzwert durch einen Mindestwert für den umzusetzenden Sauerstoff aus der Luft vorgegeben ist, und/oder db) der bei fortlaufendem Umsetzen zu Wasser noch fließende Strom einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder unterschreitet, wobei der Grenzwert durch einen Maximalwert für den in der Luft noch enthaltenen Sauerstoff relativ zu dem in der Brennstoffzelle (2) vorhandenen Wasserstoff vorgegeben ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil (24) vorgesehen ist, das eine Durchlassstellung und eine Sperrstellung aufweist, wobei der Vorrichtung (1) von der Brennstoffzelle (2) abgeführte Luft entnehmbar ist, wenn das Ventil (24) die Durchlassstellung einnimmt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangsanschluss (17) der einen Seite (3) der Brennstoffzelle (2) mit dem Eingangsanschluss (4) für dieselbe Seite (3) der Brennstoffzelle (2) fluidisch verbunden ist, wenn das Ventil (24) die Sperrstellung einnimmt.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (31) vorgesehen ist, mit dem der Anteil des Sauerstoff an der Luft, welche der einen Seite (3) der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird, erfassbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor vorgesehen ist, mit dem die Menge an zugeführtem Wasserstoff erfassbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen und so ausgebildet ist, dass sie die Menge an zugeführtem Wasserstoff in Abhängigkeit von dem bei fortlaufendem Umsetzen zu Wasser noch fließenden Strom steuert.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Trocknereinheit (35) zum Trockenen der abgeführten Luft aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen Elektrolyseur (34) aufweist, der den Wasserstoff bereitstellt.