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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit Wasserdekontaminationseinrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Für einen optimalen Wirkungsgrad einer Niedertemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle wird der Feuchtigkeitsgrad der Elektrolyten eingestellt, wobei der Kathodengasstrom zum Elektrolyten mittels einer Befeuchtungseinrichtung befeuchtet wird. Dazu wird die Befeuchtungseinrichtung mit Wasser aus einer Wasserversorgung, insbesondere aus einem Kühlwasserkreislauf oder einem Befeuchtungswasserkreislauf der Brennstoffzelle gespeist.
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In mobilen Brennstoffzellen ist der Befeuchter in einem separaten Befeuchtungskreislauf zur Befeuchtung des Kathodengasstroms mit Wasser integriert. Zur Rückgewinnung wird das Wasser aus dem Abgasstrom abgeschieden und über den Befeuchtungskreislauf und einen Zwischenspeicher wieder der Befeuchtungseinrichtung zugeführt.
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Bei Niedertemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen besteht die Gefahr der Kontamination des Wassers mit Bakterien, welches durch die niedrigen Betriebstemperaturen nicht selbstständig sterilisiert werden kann. Da die Abscheidung des Wassers aus dem Abgasstrom nicht vollständig ist, kann kontaminiertes Wasser in die Umwelt gelangen. Auch beim Ablassen von Wasser aus dem Befeuchtungskreislauf oder dem Kühlwasserkreislauf kann kontaminiertes Wasser in die Umwelt gelangen.
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Aus der Veröffentlichung
DE 100 84 496 T1 ist eine Kühlmittelversorgung für ein Brennstoffzellensystem bekannt. Es wird beschrieben, dass unter anderem der Einsatz von Kupfer für die Kühlmittelleitungen dafür sorgt, dass keine Kontamination des Kühlwassers mit Ammoniak und Kohlendioxid erfolgt. Des Weiteren umfasst die Kühlmittelversorgung einen Filter und einen Demineralisator. Diese Maßnahmen dienen dem Korrosionsschutz der Kühlmittelversorgung und sind für die zu erwartenden Durchflussmengen unzureichend.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2009 037 846 A1 ist eine partikelgefüllte Beschichtung sowie Verwendungen der partikelgefüllten Beschichtung bekannt. Es wird beschrieben, dass die Beschichtung Silber oder Titandioxid für eine antibakterielle Wirkung enthalten kann und für den Einsatz in Brennstoffzellen geeignet ist. Die partikelgefüllte Beschichtung ist für die Durchsatzmenge an Wasser zur Befeuchtung des Kathodengases ungeeignet und bietet zudem durch die lokal begrenzte Wirkfläche keine effektive Sterilisation.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 022 583 A1 ist eine Brennstoffzellen-Kühlvorrichtung mit einem Kühlkreislauf zur Umwälzung eines Kühlmediums bekannt. Zur Reinigung des kontaminierten Kühlmediums wird ein im flüssigen Zustand vorliegendes Ionenextraktionsmedium verwendet, wobei das Ionenextraktionsmedium mittels einer Einspritzvorrichtung und / oder einer Einsprühvorrichtung mit dem Kühlmittel vermischt wird. Es wird beschrieben, dass als Ionenextraktionsmedium beispielsweise Halogene dienen können. Mittels einer Trenneinheit wird das Extraktionsmedium nach der Reinigung vom Kühlmittel getrennt. Diese Maßnahme dient dem Korrosionsschutz der Kühlvorrichtung, wobei bei mobilen Brennstoffzellen zusätzlich ein Ionenextraktionsmedium mitgeführt werden muss.
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Aus der Patentschrift
DE 100 85 063 B4 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von Kontaminanten aus einem Kühlmittelvorrat eines Brennstoffzellenkraftwerks bekannt. Dazu wird Kühlmittel aus einer Brennstoffzelleneinheit in einem Oxidansverteiler / -sammler mit Oxidans aus der Brennstoffzelleneinheit in Verbindung gebracht. Durch eine Reaktion des Oxidans mit den Kontaminanten werden die Kontaminanten aus dem Kühlmittel entfernt. Diese Maßnahme dient dem Korrosionsschutz des Kühlmittelvorrats, wobei nur Kontaminanten aus dem Kühlmittel entfernt werden, welche mit dem Oxidans reagieren.
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Aus der Offenlegungsschrift
JP H09- 63 612 A geht eine wassergekühlte Brennstoffzelleneinheit hervor, welche eine Reinigungsvorrichtung zur Kühlwasserreinigung aufweist. Mittels der Reinigungseinrichtung soll eine Mikrobenausbreitung vermieden werden, wobei ein Ultraviolett-Sterilisationsgerät für Mikroben und ein antibakteriell wirkender Filter im Kühlkreislauf vorgesehen sind. Ausreichend leistungsstarke Ultraviolett-Sterilisationsgeräte sind jedoch für den mobilen Einsatz nicht geeignet.
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Aus der Offenlegungsschrift
WO 2015/019088 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Ozongenerator zur Kühlmittelreinigung bekannt. Dazu wird mittels des Ozongenerators erzeugtes Ozon dem Kühlmittel in dem Brennstoffzellensystem zugeführt. Weiter ist eine mittels einer schaltbaren Umgehungsleitung umgehbare Deionisierungseinrichtung vorgesehen, mittels welcher im Kühlwasser vorhandene und für die Brennstoffzelle schädliche Ionen eliminiert werden. Dabei wird die Deionisierungseinrichtung umgangen, wenn das Kühlmittel durch den Ozongenerator mit Ozon versetzt wird beziehungsweise eine vordefinierte Ozonkonzentration im Kühlmittel überschritten wird.
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Aus der Offenlegungsschrift
JP H08- 37 019 A geht eine Brennstoffzelle mit einem elektrolytisch arbeitenden Ozongenerator zur Erzeugung des Reaktionsgases für die Brennstoffzelle hervor. Dabei wird mittels des Ozongenerators einerseits Wasserstoff und andererseits Sauerstoff und Ozon aus dem Brennstoffzellenabwasser und / oder aus Frischwasser erzeugt. Das in dem Gasgemisch von Sauerstoff und Ozon enthaltene Ozon wird anschließend mittels einer Ozonreduktionseinrichtung in Sauerstoff gewandelt, so dass das der Brennstoffzelle zugeführte Kathodengas nur Sauerstoff beinhaltet.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Brennstoffzelle mit Wasserdekontaminationseinrichtung bereitzustellen, wobei die Betriebssicherheit und die Effektivität der Sterilisation verbessert sind.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle mit Wasserdekontaminationseinrichtung nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine erfindungsgemäß vorteilhafte Brennstoffzelle mit Wasserdekontaminationseinrichtung bereit, bei welcher die Betriebssicherheit und die Effektivität der Sterilisation verbessert sind. Dazu ist die Brennstoffzelle mit einer Wasserdekontaminationseinrichtung ausgestattet, mittels welcher Wasser einer Wasserversorgung der Brennstoffzelle sterilisiert wird. Die Wasserdekontaminationseinrichtung ist in erfindungsgemäß vorteilhafter Weise als Ozonierungsanlage zur Bereitstellung von antibakteriell wirkendem Ozon ausgeführt. Die Ozonierungsanlage umfasst einen Ozongenerator, eine Ozoneinblasvorrichtung und einen Deozonierkatalysator, welche mittels eines Ozonleitungssystems miteinander fluidverbunden sind.
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Mittels des Ozongenerators wird aus Sauerstoff über stille elektrische Entladungen Ozon erzeugt. Alternativ wird mittels des Ozongenerators Sauerstoff unter Einwirkung von hochenergetischer Ultraviolettstrahlung zu Ozon konvertiert.
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Der Sauerstoff wird durch die Umgebungsluft bereitgestellt, wobei der Ozongenerator über eine Luftzuführung mit der Umgebung fluidverbunden ist. Alternativ wird der Sauerstoff über das Brennstoffzellenabgas bereitgestellt, wobei der Ozongenerator mit einer Abgasleitung der Brennstoffzelle fluidverbunden ist. Alternativ wird der Sauerstoff über eine Elektrolyse von Wasser aus der Wasserversorgung bereitgestellt. Dazu ist eine separate Elektrolysevorrichtung vorgesehen, mittels welcher Wasser aus der Wasserversorgung in Sauerstoff und Wasserstoff zersetzt wird und der Sauerstoff dem Ozongenerator zugeführt wird. Der Wasserstoff wird der Brennstoffzelle als Anodengas zugeführt. Alternativ wird mittels des Ozongenerators aus Wasser der Wasserversorgung Ozon erzeugt. Dazu ist der Ozongenerator mit der Wasserversorgung fluidverbunden. In vorteilhafter Weise wird mittels des Ozongenerators Ozon aus dem Sauerstoff des Brennstoffzellenabgases über stille elektrische Entladungen erzeugt, wobei der Ozongenerator mit einer Abgasleitung der Brennstoffzelle fluidverbunden ist.
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Das erzeugte Ozon wird vom Ozongenerator über das Ozonleitungssystem der Ozoneinblasvorrichtung zugeführt. Mittels der Ozoneinblasvorrichtung wird das Ozon dem zu reinigenden Wasser zugesetzt. Dies kann an einer beliebigen Stelle des Wasserleitungssystems der Wasserversorgung erfolgen. Dazu ist die Ozoneinblasvorrichtung mit dem Wasserleitungssystem der Wasserversorgung verbunden, so dass Ozon dem zu reinigenden Wasser der Wasserversorgung im Wasserleitungssystem zugeführt werden kann. Alternativ ist die Ozoneinblasvorrichtung mit einem Wasserspeicher der Wasserversorgung verbunden, so dass Ozon dem zu reinigenden Wasser der Wasserversorgung im Wasserspeicher zugeführt werden kann. Die Ozoneinblasung ist dabei derart angeordnet, dass stets eine gute Durchsetzung des zu reinigenden Wassers mit Ozon erreicht werden kann.
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Überschüssiges Ozon wird mittels des Deozonierkatalysators zu Sauerstoff zersetzt, so dass Ozon nicht in die Umgebung gelangen kann. Dazu ist der Deozonierkatalysator mit dem Ozonleitungssystem fluidverbunden, um überschüssiges Ozon aufzunehmen und in Sauerstoff umzuwandeln. In vorteilhafter Weise ist das Ozonleitungssystem mit dem Wasserspeicher fluidverbunden, um überschüssiges Ozon aus dem Wasserspeicher dem Deozonierkatalysator zur Konvertierung in Sauerstoff zuzuführen. Der Deozonierkatalysator ist über ein Sauerstoffleitungssystem mit einer Kathodengasleitung der Brennstoffzelle fluidverbunden, wobei der vom Deozonierkatalysator konvertierte Sauerstoff über das Sauerstoffleitungssystem dem Kathodengasstrom zugeführt wird.
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In dem Ozonleitungssystem sind Ventile vorgesehen, mittels welchen die Fluidverbindung zwischen Ozongenerator und Ozoneinblasvorrichtung sowie zum Deozonierkatalysator schaltbar unterbrochen werden können. Weiter ist eine Ozonrückführung vorgesehen, mittels welcher überschüssiges Ozon aus dem Wasserspeicher zurück zur Ozoneinblasvorrichtung geleitet wird.
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Die für die stille elektrische Entladung oder die Erzeugung hochenergetischen UV-Lichts erforderliche elektrische Energie wird durch eine separate Batterie oder durch die Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt. In vorteilhafter Weise ist die Batterie in einem elektrischen Stromkreis der Brennstoffzelle integriert.
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Bei der Wasserversorgung der Brennstoffzelle kann es sich dabei um einen Kühlwasserkreislauf zur Kühlung der Brennstoffzelle oder Befeuchtungskreislauf zur Befeuchtung des Kathodengasstroms handeln. Demnach ist die Wasserdekontaminationseinrichtung mit der Ozonierungsanlage für die Sterilisation von Wasser in einem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine und auch für die Sterilisation von Wasser in einem Befeuchtungskreislauf der Brennstoffzelle einsetzbar. Der Befeuchtungskreislauf weist einen Abscheider auf, welcher mit der Abgasleitung fluidverbunden ist, Wasser aus der Brennstoffzellenabluft abscheidet und über das Wasserleitungssystem dem Wasserspeicher zuführt. Weiter weist der Befeuchtungskreislauf einen Befeuchter auf, welcher mit der Kathodengasleitung fluidverbunden ist und Wasser aus dem Wasserspeicher dem Kathodengasstrom zu dessen Befeuchtung zuführt.
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Durch die Verwendung von Ozon wird die Effektivität der Sterilisation erhöht, da Ozon eine hohe Sterilisationswirkung gegenüber biologischen Komponenten aufweist. Überschüssiges Ozon kann mittels Katalysatoren zersetzt werden, da Ozon nicht als Katalysatorgift wirkt. Durch den einfachen Aufbau und einen breiten, darstellbaren Volumenstrombereich ist der Einsatz der Ozonierungsanlage für mobile Brennstoffzellen besonders geeignet. Durch die Erzeugung von Ozon mittels des Ozongenerators ist die Bereitstellung von Ozon für mobile Brennstoffzellen sichergestellt, ohne dass Verbrauchsmittel für die Sterilisation des zu reinigenden Wassers mitgeführt werden müssen. Die Betriebssicherheit der Wasserdekontaminationseinrichtung wird erhöht.
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Ozonierungsanlage mit Tankeinblasung
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Beispielhaft wird hier eine Ausführung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1 mit Wasserdekontaminationseinrichtung dargestellt. In der dazugehörigen Figur zeigt:
- 1: eine schematische Darstellung der Brennstoffzelle 1 mit einer Ozonierungsanlage 2 und Tankeinblasung.
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Die erfindungsgemäß vorteilhafte Brennstoffzelle 1 mit Ozonierungsanlage 2, dargestellt in 1, weist einen Ozongenerator 3 in einer Abgasleitung 4 auf, mittels welchem aus dem Sauerstoff der Brennstoffzellenabluft Ozon generiert wird. Über ein Ozonleitungssystem 5 der Ozonierungsanlage 2 wird das Ozon zu einer Ozoneinblasvorrichtung 6 der Ozonierungsanlage 2 zugeführt. Mittels der Ozoneinblasvorrichtung 6 wird das Ozon in einen Wasserspeicher 7 einer Wasserversorgung 8 der Brennstoffzelle 1 eingeblasen und dem darin gespeicherten, zu reinigenden Wasser zugesetzt. Überschüssiges Ozon aus dem Wasserspeicher 7 wird über das Ozonleitungssystem 5 einem Deozonierkatalysator 12 zugeführt. Mittels des Deozonierkatalysators 12 wird das Ozon in Sauerstoff zersetzt und über ein Sauerstoffleitungssystem 13 dem Kathodengasstrom in einer Kathodengasleitung 14 zugeführt.
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Ozonierungsanlage mit Rohreinblasung
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Beispielhaft wird hier eine Ausführung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1 mit Wasserdekontaminationseinrichtung dargestellt. In der dazugehörigen Figur zeigt:
- 2: eine schematische Darstellung der Brennstoffzelle 1 mit einer Ozonierungsanlage 2 und Rohreinblasung.
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Die erfindungsgemäß vorteilhafte Brennstoffzelle 1 mit Ozonierungsanlage 2, dargestellt in 2, weist einen Ozongenerator 3 in einer Abgasleitung 4 auf, mittels welchem aus dem Sauerstoff der Brennstoffzellenabluft Ozon generiert wird. Über ein Ozonleitungssystem 5 der Ozonierungsanlage 2 wird das Ozon zu einer Ozoneinblasvorrichtung 6 der Ozonierungsanlage 2 zugeführt. Mittels der Ozoneinblasvorrichtung 6 wird das Ozon in ein Wasserleitungssystem 10 einer als Befeuchtungskreislauf ausgeführten Wasserversorgung 8 der Brennstoffzelle 1 eingeblasen und dem darin zirkulierenden, zu reinigenden Wasser zugesetzt. Das Wasser der Wasserversorgung 8 wird mittels eines Abscheiders 9 aus dem feuchten Brennstoffzellenabgas gewonnen und über das Wasserleitungssystem 10 einem Wasserspeicher 7 zugeführt. Zur Befeuchtung des Kathodengasstroms wird das gereinigte Wasser aus dem Wasserspeicher 7 über das Wasserleitungssystem 10 einem Befeuchter 11 zugeführt. Überschüssiges Ozon aus dem Wasserspeicher 7 wird über das Ozonleitungssystem 5 einem Deozonierkatalysator 12 zugeführt. Mittels des Deozonierkatalysators 12 wird das Ozon in Sauerstoff zersetzt und über einem Sauerstoffleitungssystem 13 dem Kathodengasstrom in einer Kathodengasleitung 14 zugeführt.
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Ozonierungsanlage mit Wasserelektrolyse
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Beispielhaft wird hier eine Ausführung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1 mit Wasserdekontaminationseinrichtung dargestellt. In der dazugehörigen Figur zeigt:
- 3: eine schematische Darstellung der Brennstoffzelle 1 mit einer Ozonierungsanlage 2 und Wasserelektrolyse.
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Die erfindungsgemäß vorteilhafte Brennstoffzelle 1 mit Ozonierungsanlage 2, dargestellt in 3, weist einen Ozongenerator 3 in einem Wasserspeicher 7 einer als Befeuchtungskreislauf ausgeführten Wasserversorgung 8 der Brennstoffzelle 1 auf, mittels welchem aus dem im Wasserspeicher 7 gespeicherten Wasser Ozon generiert wird. Über ein Ozonleitungssystem 5 der Ozonierungsanlage 2 wird das Ozon zu einer Ozoneinblasvorrichtung 6 der Ozonierungsanlage 2 zugeführt. Mittels der Ozoneinblasvorrichtung 6 wird das Ozon in den Wasserspeicher 7 eingeblasen und dem darin gespeicherten, zu reinigenden Wasser zugesetzt. Das Wasser der Wasserversorgung 8 wird mittels eines Abscheiders 9 in einer Abgasleitung 4 aus dem feuchten Brennstoffzellenabgas gewonnen und über ein Wasserleitungssystem 10 dem Wasserspeicher 7 zugeführt. Zur Befeuchtung des Kathodengasstroms wird das gereinigte Wasser aus dem Wasserspeicher 7 über das Wasserleitungssystem 10 einem Befeuchter 11 zugeführt. Überschüssiges Ozon aus dem Wasserspeicher 7 wird über das Ozonleitungssystem 5 einem Deozonierkatalysator 12 zugeführt. Mittels des Deozonierkatalysators 12 wird das Ozon in Sauerstoff zersetzt und über einem Sauerstoffleitungssystem 13 dem Kathodengasstrom in einer Kathodengasleitung 14 zugeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzelle
- 2
- Ozonierungsanlage
- 3
- Ozongenerator
- 4
- Abgasleitung
- 5
- Ozonleitungssystem
- 6
- Ozoneinblasvorrichtung
- 7
- Wasserspeicher
- 8
- Wasserversorgung
- 9
- Abscheider
- 10
- Wasserleitungssystem
- 11
- Befeuchter
- 12
- Deozonierkatalysator
- 13
- Sauerstoffleitungssystem
- 14
- Kathodengasleitung
