DE102016218806A1

DE102016218806A1 - Gasseparatorvorrichtung

Info

Publication number: DE102016218806A1
Application number: DE102016218806.2A
Authority: DE
Inventors: Ralf Brandenburger; Norbert Domaschke; Maxime Carre; Timo Bosch; Andreas Haeffelin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2018-03-29
Also published as: WO2018060439A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasseparatorvorrichtung (10) mit zumindest einer Umverteilungseinheit (12), welche dazu vorgesehen ist, mittels eines elektrochemischen Prozesses Gasanteile (14, 16) von zumindest zwei der Umverteilungseinheit (12) zugeführten Gasströmen (18, 20) zu einer Veränderung zumindest einer Stoffkonzentration der zwei Gasströme (18, 20) unter Beibehaltung einer jeweiligen Stoffmenge der Gasströme (18, 20) zwischen den Gasströmen (18, 20) umzuverteilen.The invention relates to a gas separator device (10) having at least one redistribution unit (12), which is provided by means of an electrochemical process gas shares (14, 16) of at least two of the redistribution unit (12) supplied gas streams (18, 20) to a change at least a substance concentration of the two gas streams (18, 20) while maintaining a respective amount of substance of the gas streams (18, 20) between the gas streams (18, 20) to redistribute.

Description

Stand der TechnikState of the art

Es sind bereits Gasseparatorvorrichtungen bekannt, welche dazu vorgesehen sind, insbesondere mittels physikalischer und/oder chemischer Prozesse Gasanteile eines Gasgemischs voneinander zu trennen. Gas separator devices are already known, which are intended to separate gas components of a gas mixture from one another, in particular by means of physical and / or chemical processes.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung betrifft eine Gasseparatorvorrichtung mit zumindest einer Umverteilungseinheit, welche dazu vorgesehen ist, mittels eines elektrochemischen Prozesses Gasanteile von zumindest zwei der Umverteilungseinheit zugeführten Gasströmen zu einer Veränderung zumindest einer Stoffkonzentration der zwei Gasströme unter Beibehaltung einer jeweiligen Stoffmenge der Gasströme zwischen den Gasströmen umzuverteilen.The invention relates to a gas separator device having at least one redistribution unit, which is provided to redistribute gas components of at least two gas streams supplied to the redistribution unit by means of an electrochemical process to a change in at least one substance concentration of the two gas streams while maintaining a respective molar amount of the gas streams between the gas streams.

Unter einer „Gasseparatorvorrichtung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein, insbesondere funktionstüchtiger, Bestandteil, insbesondere eine Konstruktions- und/oder Funktionskomponente, eines Gasseparators verstanden werden. Insbesondere ist die Gasseparatorvorrichtung in zumindest einem Betriebszustand dazu vorgesehen zumindest einen Gasanteil von zumindest einem Gasstrom zu separieren. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Insbesondere kann die Gasseparatorvorrichtung auch den gesamten Gasseparator umfassen. Unter einer „Umverteilungseinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine elektrochemische Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, unter Verwendung einer zugeführten elektrischen Energie mittels eines chemischen Prozesses eine Gaszusammensetzung von zumindest zwei der Umverteilungseinheit zugeführten Gasströmen, insbesondere durch einen Austausch von Gasanteilen, zu verändern. Unter einem „Gasstrom“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein von einem Gas und/oder einem Gasgemisch gebildeter Fluidstrom verstanden werden. Insbesondere weist die Gasseparatorvorrichtung für jeden Gasstrom eine Zuleitung auf, welche dazu vorgesehen ist, der Umverteilungseinheit jeweils einen Gasstrom zuzuleiten. Die Gasseparatorvorrichtung weist insbesondere zumindest eine Ausleitung auf, welche dazu vorgesehen ist, zumindest einen Gasstrom aus der Umverteilungseinheit auszuleiten. Insbesondere entspricht eine Anzahl von Ausleitungen einer Anzahl von Zuleitungen. Insbesondere entspricht eine Anzahl von Gasströmen, welche der Umverteilungseinheit zugeführt werden, einer Anzahl von Gasströmen, welche aus der Umverteilungseinheit ausgeleitet werden. Insbesondere weisen die aus der Umverteilungseinheit ausgeleiteten Gasströme eine Stoffkonzentration auf, welche von einer Stoffkonzentration der der Umverteilungseinheit zugeführten Gasströme verschieden ist. In this context, a "gas separator device" is to be understood as meaning, in particular, a component, in particular a functional component, in particular a design and / or functional component of a gas separator. In particular, in at least one operating state, the gas separator device is provided to separate at least one gas fraction from at least one gas stream. By "provided" is intended to be understood in particular specially programmed, designed and / or equipped. The fact that an object is intended for a specific function should in particular mean that the object fulfills and / or executes this specific function in at least one application and / or operating state. In particular, the gas separator device may also comprise the entire gas separator. A "redistribution unit" is to be understood in this context in particular as meaning an electrochemical unit which is intended to change a gas composition of at least two gas streams supplied to the redistribution unit, in particular by an exchange of gas fractions, using a supplied electrical energy by means of a chemical process , In this context, a "gas flow" is to be understood as meaning, in particular, a fluid flow formed by a gas and / or a gas mixture. In particular, the gas separator device has a supply line for each gas stream, which is provided for supplying a gas stream to the redistribution unit in each case. In particular, the gas separator device has at least one outflow, which is provided to discharge at least one gas stream from the redistribution unit. In particular, a number of leaks correspond to a number of leads. In particular, a number of gas streams supplied to the redistribution unit corresponds to a number of gas streams discharged from the redistribution unit. In particular, the gas streams discharged from the redistribution unit have a substance concentration which is different from a substance concentration of the gas streams supplied to the redistribution unit.

Unter einem „Gasanteil“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein von einem chemischen Element oder von einer chemischen Verbindung, insbesondere von einem zumindest im Wesentlichen reinen chemischen Element oder einer zumindest im Wesentlichen reinen chemischen Verbindung, gebildeter Bestandteil einer Zusammensetzung eines einen Gasstrom ausbildenden Gases und/oder Gasgemischs verstanden werden. Unter einer „Beibehaltung“ einer jeweiligen Stoffmenge der Gasströme soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass bei einer Umverteilung von Gasanteilen durch die Umverteilungseinheit absolute Mengen der zugeführten Stoffmengen der jeweiligen Spezies zumindest im Wesentlichen unverändert bleiben und/oder die Stoffstrommengen der Gasströme zumindest im Wesentlichen konstant bleiben. Insbesondere entsprechen die Gasanteile der der Umverteilungseinheit zugeführten Gasströme in ihrer Gesamtmenge und Art zumindest im Wesentlichen den Gasanteilen der nach einer Umverteilung von Gasanteilen zwischen den Gasströmen aus der Umverteilungseinheit ausgeleiteten Gasströmen.In this context, a "gas fraction" is to be understood as meaning in particular a constituent of a composition of a gas stream forming a gas stream formed by a chemical element or a chemical compound, in particular an at least substantially pure chemical element or an at least substantially pure chemical compound. or gas mixture understood. In this context, a "retention" of a particular amount of substance of the gas streams should be understood in particular to mean that at a redistribution of gas fractions by the redistribution unit absolute amounts of the supplied quantities of the respective species at least substantially unchanged and / or the material flow amounts of the gas streams at least substantially stay constant. In particular, the gas fractions of the gas streams supplied to the redistribution unit in their total quantity and type correspond at least substantially to the gas fractions of the gas streams discharged from the redistribution unit after a redistribution of gas fractions.

Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Gasseparatorvorrichtung mit vorteilhaften Betriebseigenschaften bereitgestellt werden. Insbesondere kann durch eine Umverteilung von Gasanteilen zwischen zwei Gasströmen mittels eines elektrochemischen Prozesses eine vorteilhafte Separierung von Gasanteilen der Gasströme erfolgen. Durch die Beibehaltung einer jeweiligen Stoffmenge der Gasströme kann ein vorteilhaft kontrollierbarer und/oder steuerbarer Separierungsprozess ermöglicht werden.By such a configuration, a generic Gasseparatorvorrichtung can be provided with advantageous operating characteristics. In particular, can be carried out by a redistribution of gas fractions between two gas streams by means of an electrochemical process, an advantageous separation of gas fractions of the gas streams. By maintaining a respective amount of substance of the gas streams, an advantageously controllable and / or controllable separation process can be made possible.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Umverteilungseinheit dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand Sauerstoffionen von einem Gasstrom auf einen weiteren Gasstrom zu übertragen. Insbesondere wird ein Sauerstoffionenfluss von einem Gasstrom auf einen weiteren Gasstrom durch ein Anlegen einer elektrischen Gleichspannung initiiert. Insbesondere erfolgt die Übertragung von Sauerstoffionen zwischen den Gasströmen unidirektional. Durch die Übertragung der Sauerstoffionen findet ein scheinbarer Austausch der Gasanteile zwischen den Gasströmen statt. Die Moleküle der Gasanteile werden durch die Übertragung der Sauerstoffionen chemisch verändert. Der Effekt der chemischen Veränderung der Moleküle der Gasanteile entspricht dem Effekt einer Umverteilung der Gasanteile zwischen den Gasströmen. Hierdurch kann eine vorteilhafte Umverteilung von Gasanteilen zwischen den Gasströmen erreicht werden.In a preferred embodiment of the invention, it is proposed that the redistribution unit be provided to transfer oxygen ions from one gas stream to another gas stream in at least one operating state. In particular, an oxygen ion flow from one gas stream to another gas stream is initiated by the application of a DC electrical voltage. In particular, the transfer of oxygen ions between the gas streams is unidirectional. The transfer of the oxygen ions causes an apparent exchange of the gas components between the gas streams. The molecules of the gas components are chemically altered by the transfer of oxygen ions. The effect of the chemical Changing the molecules of the gas components corresponds to the effect of a redistribution of the gas components between the gas streams. As a result, an advantageous redistribution of gas fractions between the gas streams can be achieved.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Umverteilungseinheit zumindest eine Kathode, eine Anode und einen zwischen der Kathode und der Anode angeordneten Elektrolyt aufweist. Insbesondere ist der Elektrolyt als ein oxidkeramischer Elektrolyt ausgebildet. Der Elektrolyt kann insbesondere zumindest im Wesentlichen aus yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid, scandiumdotiertem Zirkoniumoxid, dotiertem Lanthangallat und/oder galliumdotiertem Ceroxid bestehen. Die Anode und die Kathode sind zumindest im Wesentlichen von einem identischen Material gebildet. Insbesondere bestehen die Anode und die Kathode jeweils zumindest im Wesentlichen aus einem Cermet, vorzugsweise aus einem nickelhaltigen Cermet, beispielsweise einem Ni-ZrO₂-Cermet. Hierdurch kann ein vorteilhaft einfacher Aufbau der Umverteilungseinheit und/oder eine vorteilhaft einfache und/oder zuverlässige Durchführung des elektrochemischen Prozesses zur Umverteilung von Gasanteilen ermöglicht werden.It is also proposed that the redistribution unit has at least one cathode, one anode and one electrolyte arranged between the cathode and the anode. In particular, the electrolyte is designed as an oxide-ceramic electrolyte. In particular, the electrolyte can consist at least essentially of yttrium-stabilized zirconium oxide, scandium-doped zirconium oxide, doped lanthanum gallate and / or gallium-doped cerium oxide. The anode and the cathode are at least substantially formed of an identical material. In particular, the anode and the cathode each consist at least substantially of a cermet, preferably of a nickel-containing cermet, for example a Ni-ZrO ₂ cermet. In this way, an advantageously simple design of the redistribution unit and / or an advantageously simple and / or reliable implementation of the electrochemical process for redistribution of gas fractions can be made possible.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Umverteilungseinheit zumindest eine Kathode, eine Anode und einen zwischen der Kathode und der Anode angeordneten Elektrolyt aufweist und dazu vorgesehen ist, bei einer angelegten elektrischen Spannung Sauerstoffionen von einem der Kathode zugeführten Gasstrom auf einen der Anode zugeführten weiteren Gasstrom zu übertragen. Durch das Anlegen der elektrischen Spannung wird der Sauerstoffionentransport von der Kathodenseite zur Anodenseite initiiert. Insbesondere weisen die Kathode und die Anode der Umverteilungseinheit jeweils einen elektrischen Anschluss auf, welcher dazu vorgesehen ist, mit einer elektrischen Spannungsquelle verbunden zu werden. Die Spannung kann insbesondere als eine kontinuierliche Gleichspannung und/oder als eine gepulste Spannung ausgebildet sein. Insbesondere ist die Anode der Umverteilungseinheit dazu vorgesehen, mit einem positiven Pol einer Spannungsquelle verbunden zu sein. Die Kathode der Umverteilungseinheit ist insbesondere dazu vorgesehen, mit einem negativen Pol einer Spannungsquelle verbunden zu werden. Eine elektrische Stromstärke eines der Umverteilungseinheit zugeführten elektrischen Stroms ist zumindest im Wesentlichen proportional zu einem Sauerstoffionenfluss zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite und somit zu einem Gasanteilaustausch zwischen dem der Kathode zugeführten Gasstrom auf einen der Anode zugeführten weiteren Gasstrom. Hierdurch kann eine vorteilhafte Umverteilung und/oder Separierung von Gasanteilen zwischen den Gasströmen erreicht werden.Furthermore, it is proposed that the redistribution unit has at least one cathode, one anode and an electrolyte arranged between the cathode and the anode and is provided, at an applied electrical voltage, for oxygen ions from a gas stream supplied to the cathode to a further gas stream supplied to the anode transfer. By applying the electrical voltage, the oxygen ion transport from the cathode side to the anode side is initiated. In particular, the cathode and the anode of the redistribution unit each have an electrical connection, which is intended to be connected to an electrical voltage source. The voltage may in particular be designed as a continuous DC voltage and / or as a pulsed voltage. In particular, the anode of the redistribution unit is intended to be connected to a positive pole of a voltage source. The cathode of the redistribution unit is in particular intended to be connected to a negative pole of a voltage source. An electrical current intensity of the electric current supplied to the redistribution unit is at least substantially proportional to an oxygen ion flow between the cathode side and the anode side and thus to a gas exchange between the gas flow supplied to the cathode and to a further gas flow supplied to the anode. In this way, an advantageous redistribution and / or separation of gas fractions between the gas streams can be achieved.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die zugeführten Gasströme zumindest im Wesentlichen identisch sind. Insbesondere sind die Gasströme hinsichtlich enthaltener chemischer Elemente und/oder chemischer Verbindungen und/oder hinsichtlich einer Konzentration von chemischen Elementen und/oder chemischen Verbindungen zumindest im Wesentlichen identisch. Insbesondere kann es sich bei den Gasströmen um einen auf die Kathode und die Anode der Umverteilungseinheit verteilten Gasstrom handeln. Vorzugsweise umfassen die zugeführten Gasströme jeweils zumindest CO, CO₂, H₂ und H₂O als Gasanteile. Insbesondere entsprechen die zugeführten Gasströme in ihrer Zusammensetzung zumindest im Wesentlichen einer Zusammensetzung eines Anodenabgases einer Brennstoffzelleneinheit, insbesondere einer Festoxidbrennstoffzelleneinheit. Die zugeführten Gasströme können insbesondere zumindest teilweise von einem Anodenabgas einer Brennstoffzelleneinheit, insbesondere einer Festoxidbrennstoffzelleneinheit, gebildet sein. Vorzugsweise umfasst ein kathodenseitig aus der Umverteilungseinheit ausgeleiteter Gasstrom zumindest im Wesentlichen CO und H₂ als Gasanteile. Vorzugsweise umfasst zumindest ein anodenseitig aus der Umverteilungseinheit ausgeleiteter Gasstrom zumindest im Wesentlichen CO₂ und H₂O als Gasanteile. Hierdurch kann eine vorteilhafte Separierung von Gasanteilen der zugeführten Gasströme erreicht werden. Insbesondere kann ein Anodenabgasstrom einer Brennstoffzelleneinheit vorteilhaft in einen Brenngasstrom und einen Abgasstrom separiert werden.Furthermore, it is proposed that the supplied gas streams are at least substantially identical. In particular, the gas streams are at least substantially identical with regard to contained chemical elements and / or chemical compounds and / or with regard to a concentration of chemical elements and / or chemical compounds. In particular, the gas streams may be a gas stream distributed to the cathode and the anode of the redistribution unit. Preferably, the gas streams supplied each comprise at least CO, CO ₂ , H ₂ and H ₂ O as gas fractions. In particular, the supplied gas streams in their composition at least substantially correspond to a composition of an anode exhaust gas of a fuel cell unit, in particular a solid oxide fuel cell unit. The supplied gas streams may in particular be at least partially formed by an anode exhaust gas of a fuel cell unit, in particular a solid oxide fuel cell unit. Preferably, a gas stream discharged from the redistribution unit on the cathode side comprises at least substantially CO and H ₂ as gas fractions. Preferably, at least one gas stream discharged from the redistribution unit on the anode side comprises at least substantially CO ₂ and H ₂ O as gas fractions. In this way, an advantageous separation of gas fractions of the supplied gas streams can be achieved. In particular, an anode exhaust gas stream of a fuel cell unit can advantageously be separated into a fuel gas stream and an exhaust gas stream.

Ferner wird ein Verfahren zur Separierung von Gasanteilen von zumindest zwei Gasströmen vorgeschlagen, bei welchem in zumindest einem Verfahrensschritt Gasanteile der zwei Gasströmen zu einer Veränderung einer Stoffkonzentration der zwei Gasströme unter Beibehaltung einer jeweiligen Stoffmenge der Gasströme zwischen den Gasströmen umverteilt werden. Insbesondere werden die Gasanteile mittels eines elektrochemischen Prozesses umverteilt. Die Gasanteile werden insbesondere unter Beibehaltung einer jeweiligen Stoffmenge der Gasströme zwischen den Gasströmen umverteilt. Insbesondere werden in zumindest einem Verfahrensschritt Sauerstoffionen von einem Gasstrom auf einen weiteren Gasstrom übertragen. Hierdurch kann eine vorteilhafte Separierung von Gasanteilen der Gasströme erfolgen. Durch die Beibehaltung einer jeweiligen Stoffmenge der Gasströme kann ein vorteilhaft kontrollierbarer und/oder steuerbarer Separierungsprozess ermöglicht werden.Furthermore, a method for separating gas fractions of at least two gas streams is proposed, in which gas portions of the two gas streams are redistributed to a change in a substance concentration of the two gas streams while maintaining a respective molar amount of the gas streams between the gas streams in at least one process step. In particular, the gas fractions are redistributed by means of an electrochemical process. The gas fractions are redistributed in particular while maintaining a respective amount of substance of the gas streams between the gas streams. In particular, in at least one process step, oxygen ions are transferred from one gas stream to another gas stream. In this way, an advantageous separation of gas fractions of the gas streams can take place. By maintaining a respective amount of substance of the gas streams, an advantageously controllable and / or controllable separation process can be made possible.

Zudem wird ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelleneinheit und mit zumindest einer Gasseparatorvorrichtung vorgeschlagen, welche dazu vorgesehen ist, einen Anodenabgasstrom der Brennstoffzelleneinheit in zumindest einen Brenngasstrom und zumindest einen Abgasstrom zu separieren. Unter einem „Brennstoffzellensystem“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein System zu einer stationären und/oder mobilen Gewinnung von, insbesondere elektrischer und/oder thermischer, Energie unter Verwendung zumindest einer Brennstoffzelleneinheit verstanden werden. Unter einer „Brennstoffzelleneinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Brennstoffzelle verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine chemische Reaktionsenergie zumindest eines, insbesondere kontinuierlich zugeführten, Brenngases, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid, und zumindest eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische Energie umzuwandeln. Die zumindest eine Brennstoffzelle kann insbesondere als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ausgebildet sein. Vorzugsweise umfasst die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit eine Vielzahl von Brennstoffzellen, welche insbesondere in einem Brennstoffzellenstack angeordnet sind. Insbesondere weist das Brennstoffzellensystem zumindest einen Rezirkulationskreis auf, welcher dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil eines Anodenabgases der Brennstoffzelleneinheit zu rezirkulieren. Unter einem „Rezirkulationskreis“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Fluidverbindung verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, der Brennstoffzelleneinheit nicht umgesetztes Brenngas erneut anodenseitig zuzuführen. Unter einem „Anodenabgas“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein anodenseitiges Abgas der Brennstoffzelleneinheit verstanden werden, welches sowohl Reaktionsprodukte, insbesondere H₂O und/oder CO₂, als auch nicht umgesetztes Brenngas, insbesondere H₂ und/oder CO, umfasst. Die Gasseparatorvorrichtung ist der Anode der Brennstoffzelleneinheit strömungstechnisch nachgeschaltet. Insbesondere ist die Gasseparatorvorrichtung dazu vorgesehen, die Brenngasanteile des Anodenabgases von den Reaktionsprodukten zu separieren und dem Rezirkulationskreis zuzuführen. Insbesondere ist das Anodenabgas dazu vorgesehen, in zumindest im Wesentlichen gleichen Teilen einer Anode und einer Kathode der Gasseparatorvorrichtung, insbesondere einer Umverteilungseinheit der Gasseparatorvorrichtung, zugeführt zu werden. Hierdurch kann durch eine erhöhte Brenngasausnutzung ein vorteilhaft hoher Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erreicht werden. Ferner kann durch die Separation des Anodenabgases in Brenngasanteile und Reaktionsproduktanteile vorteilhaft auf einen Nachverbrenner zur Nachverbrennung des Anodenabgases verzichtet werden.In addition, a fuel cell system with at least one fuel cell unit and with at least one gas separator device is provided, which is provided to an anode exhaust gas stream of the fuel cell unit in at least one fuel gas stream and at least one Separate exhaust stream. A "fuel cell system" is to be understood in this context, in particular a system for a stationary and / or mobile extraction of, in particular electrical and / or thermal, energy using at least one fuel cell unit. In this context, a "fuel cell unit" is to be understood as meaning in particular a unit having at least one fuel cell which is provided with at least one chemical reaction energy of at least one, in particular continuously supplied, fuel gas, in particular hydrogen and / or carbon monoxide, and at least one oxidant, in particular To convert oxygen, especially into electrical energy. The at least one fuel cell can be designed in particular as a solid oxide fuel cell (SOFC). Preferably, the at least one fuel cell unit comprises a plurality of fuel cells, which are arranged in particular in a fuel cell stack. In particular, the fuel cell system has at least one recirculation circuit, which is provided to recirculate at least part of an anode exhaust gas of the fuel cell unit. A "recirculation circuit" is to be understood in this context in particular as meaning a fluid connection which is provided to supply the fuel cell unit with unreacted fuel gas again on the anode side. In this context, an "anode exhaust gas" is to be understood in particular to mean an anode-side exhaust gas of the fuel cell unit, which comprises both reaction products, in particular H ₂ O and / or CO ₂ , and unconverted fuel gas, in particular H ₂ and / or CO. The Gasseparatorvorrichtung is downstream of the anode of the fuel cell unit fluidically. In particular, the gas separator device is provided for separating the fuel gas components of the anode exhaust gas from the reaction products and supplying them to the recirculation circuit. In particular, the anode exhaust gas is intended to be supplied in at least substantially equal parts of an anode and a cathode of the gas separator device, in particular a redistribution unit of the gas separator device. This can be achieved by an increased fuel gas utilization advantageously high overall efficiency of the fuel cell system. Furthermore, the separation of the anode exhaust gas into fuel gas components and reaction product components advantageously makes it possible to dispense with an afterburner for afterburning of the anode exhaust gas.

Die erfindungsgemäße Gasseparatorvorrichtung soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Gasseparatorvorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.The gas separator device according to the invention should not be limited to the application and embodiment described above. In particular, in order to fulfill a mode of operation described herein, the gas separator device according to the invention can have a number deviating from a number of individual elements, components and units mentioned herein.

Zeichnungdrawing

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further advantages emerge from the following description of the drawing. In the drawing, an embodiment of the invention is shown. The drawing, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into meaningful further combinations.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Ansicht einer Gasseparatorvorrichtung und 1 a schematic view of a Gasseparatorvorrichtung and

2 ein Brennstoffzellensystem mit einer Gasseparatorvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, einen Anodenabgasstrom in einen Brenngasstrom und zumindest einen Abgasstrom zu separieren. 2 a fuel cell system having a gas separator device, which is provided to separate an anode exhaust gas stream into a fuel gas stream and at least one exhaust gas stream.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Gasseparatorvorrichtung 10 mit zumindest einer Umverteilungseinheit 12, welche dazu vorgesehen ist, mittels eines elektrochemischen Prozesses Gasanteile 14, 16 von zumindest zwei der Umverteilungseinheit 12 zugeführten Gasströmen 18, 20 zu einer Veränderung zumindest einer Stoffkonzentration der zwei Gasströme 18, 20 unter Beibehaltung einer jeweiligen Stoffmenge der Gasströme 18, 20 zwischen den Gasströmen 18, 20 umzuverteilen. Die Umverteilungseinheit 12 ist dazu vorgesehen, in zumindest einem Betriebszustand Sauerstoffionen 22 von einem Gasstrom 18 auf einen weiteren Gasstrom 20 zu übertragen. Die Umverteilungseinheit 12 weist zumindest eine Kathode 24, eine Anode 26 und einen zwischen der Kathode 24 und der Anode 26 angeordneten Elektrolyt 28 auf. Insbesondere ist der Elektrolyt 28 als ein oxidkeramischer Elektrolyt ausgebildet. Der Elektrolyt 28 besteht insbesondere zumindest im Wesentlichen aus yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid, scandiumdotiertem Zirkoniumoxid, dotiertem Lanthangallat und/oder galliumdotiertem Ceroxid. Die Anode 26 und die Kathode 24 sind zumindest im Wesentlichen von einem identischen Material gebildet. Insbesondere bestehen die Anode 26 und die Kathode 24 jeweils zumindest im Wesentlichen aus einem Cermet, vorzugsweise aus einem nickelhaltigen Cermet, beispielsweise einem Ni-ZrO₂-Cermet. Die Umverteilungseinheit 12 ist dazu vorgesehen, bei einer angelegten elektrischen Spannung 30 Sauerstoffionen 22 von einem der Kathode 24 zugeführten Gasstrom 18 auf einen der Anode 26 zugeführten weiteren Gasstrom 20 zu übertragen. 1 shows a schematic representation of a Gasseparatorvorrichtung 10 with at least one redistribution unit 12 , which is intended, by means of an electrochemical process gas shares 14 . 16 of at least two of the redistribution unit 12 supplied gas streams 18 . 20 to a change of at least one substance concentration of the two gas streams 18 . 20 while maintaining a respective amount of substance of the gas streams 18 . 20 between the gas streams 18 . 20 redistribute. The redistribution unit 12 is intended, in at least one operating state oxygen ions 22 from a gas stream 18 to another gas stream 20 transferred to. The redistribution unit 12 has at least one cathode 24 , an anode 26 and one between the cathode 24 and the anode 26 arranged electrolyte 28 on. In particular, the electrolyte 28 formed as an oxide ceramic electrolyte. The electrolyte 28 In particular, it consists at least substantially of yttrium-stabilized zirconium oxide, scandium-doped zirconium oxide, doped lanthanum gallate and / or gallium-doped cerium oxide. The anode 26 and the cathode 24 are at least essentially formed of an identical material. In particular, the anode exist 26 and the cathode 24 in each case at least substantially of a cermet, preferably of a nickel-containing cermet, for example a Ni-ZrO ₂ cermet. The redistribution unit 12 is intended to be applied at an applied voltage 30 oxygen ions 22 from one of the cathodes 24 supplied gas stream 18 on one of the anode 26 supplied further gas stream 20 transferred to.

Während eines Betriebs der Gasseparatorvorrichtung 10 werden der Umverteilungseinheit 12 zwei Gasströme 18, 20 zugeführt. Ein Gasstrom 18 wird der Kathode 24 der Umverteilungseinheit 12 zugeführt. Ein weiterer Gasstrom 20 wird der Anode 26 der Umverteilungseinheit 12 zugeführt. Die zugeführten Gasströme 18, 20 sind vorzugsweise zumindest im Wesentlichen identisch. Insbesondere sind die Gasströme 18, 20 hinsichtlich enthaltener chemischer Elemente und/oder chemischer Verbindungen und/oder hinsichtlich einer Konzentration von chemischen Elementen und/oder chemischen Verbindungen zumindest im Wesentlichen identisch. Die Anode 26 und die Kathode 24 der Umverteilungseinheit 12 weisen jeweils einen elektrischen Anschluss 72, 74 auf, welche mit einer elektrischen Spannungsquelle 76 verbunden sind. Die Spannung 30 der Spannungsquelle 76 kann insbesondere als eine kontinuierliche Gleichspannung und/oder als eine gepulste Spannung ausgebildet sein. Die Anode 26 der Umverteilungseinheit 12 ist mit einem positiven Pol der Spannungsquelle 76 verbunden. Die Kathode 24 der Umverteilungseinheit 12 ist mit einem negativen Pol der Spannungsquelle 76 verbunden. Durch das Anlegen der elektrischen Spannung 30 wird der Sauerstoffionentransport von der Kathodenseite zur Anodenseite initiiert. Durch die Übertragung der Sauerstoffionen 22 findet ein scheinbarer Austausch der Gasanteile 14, 16 zwischen den Gasströmen 18, 20 statt. Die Moleküle der Gasanteile 14, 16 werden durch die Übertragung der Sauerstoffionen 22 chemisch verändert. Der Effekt der chemischen Veränderung der Moleküle der Gasanteile 14, 16 entspricht dem Effekt einer Umverteilung der Gasanteile 14, 16 zwischen den Gasströmen 18, 20. Eine elektrische Stromstärke eines der Umverteilungseinheit 12 zugeführten elektrischen Stroms ist zumindest im Wesentlichen proportional zu einem Sauerstoffionenfluss zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite und somit zu einem Gasanteilaustausch zwischen dem der Kathode 24 zugeführten Gasstrom 18 auf einen der Anode 26 zugeführten weiteren Gasstrom 20. Die Gasseparatorvorrichtung 10 weist ferner zwei Ausleitungen 78, 80 auf, welche dazu vorgesehen sind, zwei Gasströme 32, 34 aus der Umverteilungseinheit 12 auszuleiten. Die aus der Umverteilungseinheit 12 ausgeleiten Gasströme 32, 34 weisen durch die Umverteilung der Gasanteile 14, 16 eine Stoffkonzentration auf, welche jeweils von einer Stoffkonzentration der zugeführten Gasströme 18, 20 verschieden ist. During operation of the gas separator device 10 become the redistribution unit 12 two gas streams 18 . 20 fed. A gas stream 18 becomes the cathode 24 the redistribution unit 12 fed. Another gas stream 20 becomes the anode 26 the redistribution unit 12 fed. The supplied gas streams 18 . 20 are preferably at least substantially identical. In particular, the gas streams 18 . 20 with regard to chemical elements and / or chemical compounds contained and / or with regard to a concentration of chemical elements and / or chemical compounds at least substantially identical. The anode 26 and the cathode 24 the redistribution unit 12 each have an electrical connection 72 . 74 on which with an electrical voltage source 76 are connected. The voltage 30 the voltage source 76 may be formed in particular as a continuous DC voltage and / or as a pulsed voltage. The anode 26 the redistribution unit 12 is with a positive pole of the voltage source 76 connected. The cathode 24 the redistribution unit 12 is with a negative pole of the voltage source 76 connected. By applying the electrical voltage 30 the oxygen ion transport is initiated from the cathode side to the anode side. By the transfer of oxygen ions 22 finds an apparent exchange of gas shares 14 . 16 between the gas streams 18 . 20 instead of. The molecules of gas components 14 . 16 be through the transfer of oxygen ions 22 chemically altered. The effect of the chemical change of the molecules of the gas components 14 . 16 corresponds to the effect of a redistribution of the gas components 14 . 16 between the gas streams 18 . 20 , An electrical current of one of the redistribution unit 12 supplied electric current is at least substantially proportional to an oxygen ion flux between the cathode side and the anode side and thus to a gas exchange portion between the cathode 24 supplied gas stream 18 on one of the anode 26 supplied further gas stream 20 , The gas separator device 10 also has two leaks 78 . 80 on which are provided, two gas streams 32 . 34 from the redistribution unit 12 auszuleiten. The from the redistribution unit 12 discharged gas streams 32 . 34 show by the redistribution of gas components 14 . 16 a substance concentration, each of a substance concentration of the supplied gas streams 18 . 20 is different.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 36. Das Brennstoffzellensystem 36 ist dazu vorgesehen, mit einem fluidischen kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff 46, beispielsweise Methan, betrieben zu werden. Das Brennstoffzellensystem 36 weist eine Brennstoffzelleneinheit 38 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 38 ist hier vereinfacht als eine Brennstoffzelle 48 dargestellt. Zweckmäßig ist jedoch eine Ausbildung einer Brennstoffzelleneinheit als ein Brennstoffzellenstack mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen. Die Brennstoffzelleneinheit 38 ist vorzugsweise als eine Festoxidbrennstoffzelleneinheit ausgebildet. Die Brennstoffzelleneinheit 38 weist eine Anode 50 und eine Kathode 52 auf. Der Anode 50 wird während eines Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 38 ein aus dem Brennstoff 46 gewonnenes Brenngas 54, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid, zugeführt. Der Kathode 52 wird während eines Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 38 ein Kathodengas 56, insbesondere Luftsauerstoff, zugeführt. Der Brennstoff 46 wird während eines Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 38 über eine Versorgungsleitung 64 in das Brennstoffzellensystem 36 eingespeist. Der Brennstoff 46 wird mittels eines Verdichters 68 gefördert. Das Kathodengas 56 wird über eine weitere Versorgungsleitung 66 in das Brennstoffzellensystem 36 eingespeist. Das Kathodengas 56 wird mittels eines Verdichters 70 gefördert. 2 shows a schematic representation of a fuel cell system 36 , The fuel cell system 36 is intended to be used with a fluidic hydrocarbonaceous fuel 46 , for example methane, to be operated. The fuel cell system 36 has a fuel cell unit 38 on. The fuel cell unit 38 is simplified here as a fuel cell 48 shown. However, it is expedient to design a fuel cell unit as a fuel cell stack with a multiplicity of fuel cells. The fuel cell unit 38 is preferably formed as a solid oxide fuel cell unit. The fuel cell unit 38 has an anode 50 and a cathode 52 on. The anode 50 is during operation of the fuel cell unit 38 one out of the fuel 46 recovered fuel gas 54 , in particular hydrogen and / or carbon monoxide, supplied. The cathode 52 is during operation of the fuel cell unit 38 a cathode gas 56 , in particular atmospheric oxygen supplied. The fuel 46 is during operation of the fuel cell unit 38 via a supply line 64 in the fuel cell system 36 fed. The fuel 46 is by means of a compressor 68 promoted. The cathode gas 56 is via another supply line 66 in the fuel cell system 36 fed. The cathode gas 56 is by means of a compressor 70 promoted.

Zur Gewinnung des Brenngases 54 weist das Brennstoffzellensystem 36 eine der Brennstoffzelleneinheit 38 strömungstechnisch vorgeschaltete Reformereinheit 58 auf. Das Brennstoffzellensystem 36 weist ferner einen Rezirkulationskreis 60 auf, welcher zu einer Rückführung eines Teils eines Anodenabgasstroms 40 der Brennstoffzelleneinheit 38 zu einer zumindest teilweisen Vermischung mit dem Brennstoff 46 vorgesehen ist. Der Rezirkulationskreis 60 ist insbesondere dazu vorgesehen, der Brennstoffzelleneinheit 38 nicht umgesetztes Brenngas 54 mit erneut anodenseitig zuzuführen. Das Brennstoffzellensystem 36 weist ferner einen Verdichter 62 auf, welcher dazu vorgesehen ist, einen zu rezirkulierenden Anteil des Anodenabgasstroms 40 durch den Rezirkulationskreis 60 zu fördern.For the production of the fuel gas 54 has the fuel cell system 36 one of the fuel cell unit 38 fluidically upstream reformer unit 58 on. The fuel cell system 36 also has a recirculation circuit 60 which leads to a return of a part of an anode exhaust stream 40 the fuel cell unit 38 for at least partial mixing with the fuel 46 is provided. The recirculation circuit 60 is particularly intended to the fuel cell unit 38 unreacted fuel gas 54 with again anode side supply. The fuel cell system 36 also has a compressor 62 which is intended to a portion of the anode exhaust gas stream to be recirculated 40 through the recirculation circuit 60 to promote.

Ferner weist das Brennstoffzellensystem 36 eine Gasseparatorvorrichtung 10 auf, welche dazu vorgesehen ist, den Anodenabgasstrom 40 der Brennstoffzelleneinheit 38 in einen Brenngasstrom 42 und einen Abgasstrom 44 zu separieren. Die Gasseparatorvorrichtung 10 entspricht vorzugsweise der in 1 gezeigten Gasseparatorvorrichtung 10. Alternativ sind jedoch auch andere Ausführungen einer Gasseparatorvorrichtung denkbar. Die Gasseparatorvorrichtung 10 ist der Anode 50 der Brennstoffzelleneinheit 38 strömungstechnisch nachgeschaltet. Insbesondere ist die Gasseparatorvorrichtung 10 dazu vorgesehen, Brenngasanteile des Anodenabgasstroms 40 von Reaktionsprodukten zu separieren und dem Rezirkulationskreis 60 zuzuführen. Der Anodenabgasstrom 40 wird in zwei Gasströme 18, 20 aufgeteilt, welche der Anode 26 und einer Kathode 24 der Umverteilungseinheit 12 der Gasseparatorvorrichtung 10 zugeführt werden. Die zugeführten Gasströme 18, 20 umfassen jeweils zumindest CO, CO₂, H₂ und H₂O als Gasanteile 14, 16. Anodenseitig reagieren CO und H2 mit den Sauerstoffionen zu H₂O und CO₂. Kathodenseitig geben H₂O und CO₂ Sauerstoffionen ab und reagieren zu CO und H₂. Ein kathodenseitig aus der Umverteilungseinheit 12 ausgeleiteter Gasstrom 32 umfasst zumindest im Wesentlichen CO und H₂ als Gasanteile 14. Der kathodenseitig ausgeleitete Gasstrom 32 wird als Brenngasstrom 42 dem Rezirkulationskreis 60 zugeführt. Ein anodenseitig aus der Umverteilungseinheit 12 ausgeleiteter Gasstrom 34 umfasst zumindest im Wesentlichen CO₂ und H₂O als Gasanteile 16. Der anodenseitig ausgeleitete Gasstrom 34 wird als Abgasstrom 44 gemeinsam mit einer Kathodenabluft 82 der Brennstoffzelleneinheit 38 aus dem Brennstoffzellensystem 36 ausgeleitet. Furthermore, the fuel cell system 36 a gas separator device 10 which is intended to the anode exhaust gas stream 40 the fuel cell unit 38 in a fuel gas stream 42 and an exhaust stream 44 to separate. The gas separator device 10 preferably corresponds to in 1 shown gas separator device 10 , Alternatively, however, other embodiments of a Gasseparatorvorrichtung conceivable. The gas separator device 10 is the anode 50 the fuel cell unit 38 downstream flow. In particular, the gas separator device 10 provided fuel gas portions of the anode exhaust stream 40 to separate from reaction products and the Rezirkulationskreis 60 supply. The anode exhaust stream 40 is in two gas streams 18 . 20 split which of the anode 26 and a cathode 24 the redistribution unit 12 the gas separator device 10 be supplied. The supplied gas streams 18 . 20 each comprise at least CO, CO ₂ , H ₂ and H ₂ O as gas components 14 . 16 , On the anode side, CO and H2 react with the oxygen ions to form H ₂ O and CO ₂ . On the cathode side, H ₂ O and CO ₂ release oxygen ions and react to CO and H ₂ . A cathode side of the redistribution unit 12 discharged gas stream 32 comprises at least substantially CO and H ₂ as gas fractions 14 , The cathode-side outlet gas stream 32 is called fuel gas stream 42 the recirculation circuit 60 fed. An anode side of the redistribution unit 12 discharged gas stream 34 comprises at least substantially CO ₂ and H ₂ O as gas fractions 16 , The anode-side outlet gas stream 34 is called exhaust gas flow 44 together with a cathode exhaust 82 the fuel cell unit 38 from the fuel cell system 36 discharged.

Claims

Gas separator device with at least one redistribution unit ( 12 ), which is intended, by means of an electrochemical process gas fractions ( 14 . 16 ) of at least two of the redistribution unit ( 12 ) supplied gas streams ( 18 . 20 ) to a change of at least one substance concentration of the two gas streams ( 18 . 20 ) while maintaining a respective amount of substance of the gas streams ( 18 . 20 ) between the gas streams ( 18 . 20 ) redistribute.

Gas separator device according to claim 1, characterized in that the redistribution unit ( 12 ) is provided, in at least one operating state, oxygen ions ( 22 ) of a gas stream ( 18 ) to another gas stream ( 20 ) transferred to.

Gas separator device according to claim 1 or 2, characterized in that the redistribution unit ( 12 ) at least one cathode ( 24 ), an anode ( 26 ) and one between the cathode ( 24 ) and the anode ( 26 ) arranged electrolyte ( 28 ) having.

Gas separator device according to one of the preceding claims, characterized in that the redistribution unit ( 12 ) at least one cathode ( 24 ), an anode ( 26 ) and one between the cathode ( 24 ) and the anode ( 26 ) arranged electrolyte ( 28 ) and is intended, at an applied electrical voltage ( 30 ) Oxygen ions ( 22 ) from one of the cathodes ( 24 ) supplied gas stream ( 18 ) to one of the anode ( 26 ) supplied further gas stream ( 20 ) transferred to.

Gas separator device according to one of the preceding claims, characterized in that the supplied gas streams ( 18 . 20 ) are at least substantially identical.

Gas separator device according to one of the preceding claims, characterized in that the supplied gas streams ( 18 . 20 ) in each case at least CO, CO ₂ , H ₂ and H ₂ O as gas fractions ( 14 . 16 ).

Gas separator device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the redistribution unit ( 12 ) discharged gas stream ( 32 ) at least substantially CO and H ₂ as gas fractions ( 14 ).

Gas separator device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the redistribution unit ( 12 ) discharged gas stream ( 34 ) at least substantially CO ₂ and H ₂ O as gas fractions ( 16 ).

Process for the separation of gas fractions ( 14 . 16 ) of at least two gas streams ( 18 . 20 ), characterized in that 14 . 16 ) of the two gas streams ( 18 . 20 ) to a change in a substance concentration of the two gas streams ( 18 . 20 ) while maintaining a respective amount of substance of the gas streams ( 18 . 20 ) between the gas streams ( 18 . 20 ) are redistributed.

Fuel cell system with at least one fuel cell unit ( 38 ) and with at least one gas separator device ( 10 ), in particular according to one of claims 1 to 8, which is provided to an anode exhaust gas stream ( 40 ) of the fuel cell unit ( 38 ) into at least one fuel gas stream ( 42 ) and at least one exhaust stream ( 44 ) to separate.