DE102019219418A1

DE102019219418A1 - Gastrennvorrichtung für mindestens ein Brennstoffzellensystem eines Verbrauchers, Brennstoffzellensystem und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019219418A1
Application number: DE102019219418.4A
Authority: DE
Inventors: Harald Schlag
Original assignee: PSA Automobiles SA
Current assignee: STELLANTIS AUTO SAS, FR
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2021-06-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gastrennvorrichtung (8) für mindestens ein Brennstoffzellensystem (2) eines Verbrauchers mit mindestens einem Trennmodul (10), in dem ein eingehendes Gasgemisch (12), das ein Brenngas und mindestens ein Zusatzgas umfasst, zumindest in einen Brenngasanteil (14), in dem die Konzentration des Brenngases bezüglich des eingehenden Gasgemisches (12) erhöht ist, und mindestens ein Abgasanteil (16), in dem die Konzentration des Zusatzgases bezüglich des eingehenden Gasgemisches (12) erhöht ist, aufteilbar ist, mit mindestens einer Zuführleitung (18), durch die das eingehende Gasgemisch (12) von einer Verbrauchstelle (4) des Brennstoffzellensystems (2), insbesondere einer Anode, dem Trennmodul (10) zuführbar ist, mit mindestens einer Rückführleitung (20), durch die der Brenngasanteil (14) dem Verbrauchstelle (4) des Brennstoffzellensystems (2) rückführbar ist, und mit mindestens einem Abscheider (22), durch den der an Brenngas verarmte Abgasanteil (16) an die Umgebung und/oder an ein Abgasaggregat (24) des Verbrauchers abführbar ist, wobei das Trennmodul (10) mindestens ein Trennmittel (26) umfasst, durch das das Brenngas und das Zusatzgas mittels ihrer unterschiedlichen Trägheitskräfte voneinander separierbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gastrennvorrichtung für mindestens ein Brennstoffzellensystem eines Verbrauchers, ein Brennstoffzellensystem mit einer derartigen Gastrennvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Brennstoffzellensystem und/oder mit einer derartigen Gastrennvorrichtung.
Brennstoffzellensysteme sind in unterschiedlichen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt. Diese finden auch Verwendung bei Kraftfahrzeugen, um durch Verbrennung, insbesondere durch eine elektrochemische Reaktion, eines Brennstoffs in einer Brennstoffzelle elektrische Energie zu erzeugen.
Wenn als Brennstoff Wasserstoff und als Oxidator Sauerstoff verwendet werden, entstehen als Verbrennungsprodukte in den Brennstoffzellen Wasser und nicht verbrannter Wasserstoff. Der nicht verbrannte Wasserstoff kann über ein Anodenrückführsystem dem Verbrennungsprozess erneut zugeführt werden.
Das Mitführen von reinem Sauerstoff erweist sich als kostenintensiv. Zudem muss hierfür im Kraftfahrzeug ein zusätzlicher Bauraum für einen Sauerstofftank und eine Infrastruktur für Betankungen vorgehalten werden.
Dieser Bauraum kann eingespart und das Zusatzgewicht vermieden werden, wenn als Oxidator Luft verwendet wird. Stickstoff der Luft diffundiert materialbedingt durch die Membran von der Luft- auf die Wasserstoffseite. Wenn der Stickstoff über das Anodenrückführsystem ebenfalls der Verbrennung zugeführt wird, steigt der Anteil von Stickstoff mit zunehmender Betriebsdauer, wodurch der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle reduziert sein kann.
Um die Konzentration von Stickstoff im Anodenrückführsystem zu reduzieren, ist es bekannt, dass im Anodenrückführsystem angeordnete Gasgemisch periodisch oder bei Bedarf über ein Ventil abzulassen. Hierbei wird neben dem Stickstoff auch nicht verbrannter Wasserstoff aus dem Brennstoffzellensystem genommen, was zu einem erhöhten Treibstoffverbrauch führen kann.
Eine Aufgabe eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ist, eine Gastrennvorrichtung für mindestens ein Brennstoffzellensystem eines Verbrauchers, ein Brennstoffzellensystem eines Verbrauchers mit einer derartigen Gastrennvorrichtung, sowie ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Gastrennvorrichtung und/oder mit einem derartigen Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, bei der das vorhandene Brenngas effizient genutzt wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Gastrennvorrichtung für mindestens ein Brennstoffzellensystem eines Verbrauchers mit mindestens einem Trennmodul, in dem ein eingehendes Gasgemisch, das ein Brenngas und mindestens ein Zusatzgas umfasst, zumindest in einen Brenngasanteil, in dem die Konzentration des Brenngases bezüglich des eingehenden Gasgemisches erhöht ist und mindestens einen Abgasanteil, in dem die Konzentration des Zusatzgases bezüglich des eingehenden Gasgemisches erhöht ist, aufteilbar ist, mit mindestens einer Zuführleitung, durch die das eingehende Gasgemisch von einer Verbrauchsstelle des Brenngases, insbesondere einer Anode, dem Trennmodul zuführbar ist, mit mindestens einer Rückführleitung, durch die der angereicherte Brenngasanteil der Verbrauchsstelle des Brennstoffzellensystems rückführbar ist, und mit mindestens einem Abscheider, durch den der an Brenngas verarmte Abgasanteil an die Umgebung und/oder an ein Abgasaggregat des Verbrauchers abführbar ist, wobei das Trennmodul mindestens ein Trennmittel umfasst, durch das das Brenngas und das Zusatzgas mittels ihrer unterschiedlichen Trägheitskräfte voneinander separierbar sind.
Dadurch, dass die Gastrennvorrichtung mindestens ein Trennmodul umfasst, durch das das in das Trennmodul eingehende Gasgemisch in einen Brenngasanteil und in einen Abgasanteil aufteilbar ist, können über den Abscheider große Teile des Zusatzgases abgeschieden werden, wobei gleichzeitig der Anteil des abgeschiedenen Brenngases gering ist. Hierdurch sind die Verluste von Brenngas, die mit dem Abgasanteil über den Abscheider an die Umgebung und/oder an das Abgasaggregat des Verbrauchers abscheidbar sind, reduziert und der im Verbraucher vorhandene Treibstoff, also das Brenngas, effizient nutzbar.
Dadurch, dass das Trennmodul mindestens ein Trennmittel umfasst, das trägheitskraftbasiert Brenngas und Zusatzgas voneinander separiert, lässt sich die Gastrennvorrichtung einfach und kostengünstig ausbilden.
Der Verbraucher kann beispielsweise ein Kraftfahrzeug umfassen, in dem das Brennstoffzellensystem angeordnet ist.
Unter Verwendung der unterschiedlichen Trägheitskräfte des Brenngases und des Zusatzgases, lassen sich Brenngas und Zusatzgas durch Beschleunigungskräfte, insbesondere Fliehkräfte, einfach und effektiv voneinander trennen. Solchenfalls erweist es sich als vorteilhaft, wenn mindestens eines des mindestens einen Trennmittels mindestens eine Zentrifuge, mindestens eine Turbinenpumpe und/oder mindestens eine scharfe Richtungsumlenkung umfasst.
Brenn- und Zusatzgas weisen typischerweise unterschiedliche Molekül-/ Atomgewichte auf. Je nach Ausführungsform ist die Dichte des Brenngases entweder kleiner oder größer als die des Zusatzgases.
Aufgrund des höheren molekularen Gewichts des dichteren Gases wird dieses in der Zentrifuge und/oder in der Turbinenpumpe mit maximalem Abstand zur Rotationsachse abgelagert, wo dieses dann dem Abscheider, wenn das Zusatzgas schwerer ist als das Brenngas, oder der Rückführleitung, wenn das Brenngas schwerer ist als das Zusatzgas, zugeführt werden kann. Die leichtere Komponente ist solchenfalls zwischen der Rotationsachse und der dichteren Komponente angeordnet. Hierdurch sind Verluste an Brenngas durch Abscheiden des das Zusatzgas umfassenden Abgasanteils zumindest reduziert.
Ergänzend oder alternativ hierzu erweist es sich als vorteilhaft, wenn mindestens eines des mindestens einen Trennmittels mindestens eine Trenndüse, einen Zyklon, ein zyklonrohrartiges Gerät und/oder eine oder mehrere scharfkantige Kurven umfasst.
Eine geeignete Ausführungsform des Trennmittels kann mehrere oder auch eine Vielzahl derartiger Einzelelemente in paralleler oder serieller Anordnung sowie in beliebiger Kombination umfassen, um einen entsprechend hohen Umsatz zu erreichen.
Solchenfalls ist das Trennmittel ohne eigenen Antrieb ausbildbar, wodurch ein Energieverbrauch durch Betrieb der Gastrennvorrichtung reduzierbar ist. Hierbei erweist es sich insbesondere als vorteilhaft, wenn die Gastrennvorrichtung, die an ein Brennstoffzellensystem angeschlossen ist, die dort vorhandenen Komponenten zum Beschleunigen bzw. Zyklieren des Brenngases und/oder des Gasgemisches mitnutzen kann.
Grundsätzlich ist es denkbar, dass über den Abscheider fortwährend der das Zusatzgas in hoher Konzentration umfassende Abgasanteil abgeschieden wird. Bei einer Ausführungsform der Gastrennvorrichtung ist vorgesehen, dass der Abscheider mindestens ein Ablassventil umfasst.
Bei einer Weiterbildung letztgenannter Ausführungsform erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Ablassventil elektronisch steuerbar ist.
Solchenfalls ist das Ventil auf einfache Weise automatisiert ansteuerbar.
Um die Verluste an Brenngas beim Abscheiden des Abgasanteils weiter zu reduzieren, erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Gastrennvorrichtung mindestens eine Steuereinheit umfasst, der ein am Ablassventil, an der Verbrauchsstelle oder an anderer geeigneten Stelle angeordnetes Sensorelement funktional zuordenbar oder zugeordnet ist und durch das das Ablassventil zum Öffnen und/oder Schließen, insbesondere in Abhängigkeit einer durch das Sensorelement erfassten Konzentration von Zusatzgas im Abgasanteil, ansteuerbar ist.
Hierdurch ist es ermöglicht, dass das Ablassventil nur dann geöffnet wird, wenn eine bestimmte Konzentration von Zusatzgas im Brenn-/Zusatzgasgemisch erreicht oder überschritten wird. Hierdurch lassen sich Verluste von Brenngas im Abgasanteil weiter reduzieren.
Das Brenngas kann grundsätzlich einen beliebigen Brennstoff umfassen. Beim Betrieb einer Brennstoffzelle kann das Brenngas Wasserstoff und/oder das Zusatzgas zumindest Stickstoff umfassen.
Darüber hinaus ist bei einer Ausführungsform der Gastrennvorrichtung vorgesehen, dass die Verbrauchsstelle des Brennstoffzellensystems eine Anode umfasst.
Darüber hinaus wird die Aufgabe gelöst durch ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs mit mindestens einer Verbrauchsstelle, wie Anode, mit mindestens einem Anodenrückführsystem und mit mindestens einer Gastrennvorrichtung mit mindestens einem der zuvor genannten Merkmale, das an das Anodenrückführsystem anschließbar oder angeschlossen ist.
Beispielsweise ist es denkbar, dass das von der Verbrauchsstelle abgeführte Gasgemisch durch das Anodenrückführsystem zwingend durch die Gastrennvorrichtung geführt wird. Darüber hinaus ist es denkbar, dass die Gastrennvorrichtung einen Nebenstrom des Anodenrückführsystems darstellt, der stets, periodisch oder bei Bedarf zuschaltbar oder abschaltbar an das Anodenrückführsystem angebracht ist.
Das Brennstoffzellensystem kann ein System mit einer Polymerelektrolytmembran umfassen.
Ferner kann das Brennstoffzellensystem ein System mit einem oxidbasierten lonenleiter (SOFC) umfassen.
Darüber hinaus umfasst das Brennstoffzellensystem bei einem Ausführungsbeispiel ein System mit einem phosphorsäurebasierten lonenleiter (PAFC).
Weiter kann das Brennstoffzellensystem ein System mit einem karbonatbasierten lonenleiter (MCFC) umfassen.
Schließlich kann das Brennstoffzellensystem ein System mit einem laugenbasierten lonenleiter (AFC) aufweisen.
Schließlich wird die Aufgabe gelöst durch einen Verbraucher in Form eines Kraftfahrzeus mit einem Brennstoffzellensystem mit mindestens einem der zuvor genannten Merkmale und/oder mit mindestens einer Gastrennvorrichtung mit mindestens einem der zuvor genannten Merkmale.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen, aus der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform eines eine Gastrennvorrichtung umfassenden Brennstoffzellensystems.
In der Zeichnung zeigt:

1 Ein schematisches Schaltbild eines eine Gastrennvorrichtung umfassenden Brennstoffzellensystems.

1 zeigt ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 versehenes Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs (in der Figur nicht explizit dargestellt). Diese umfasst eine Verbrauchsstelle 4, wie Anode, sowie ein Anodenrückführsystem 6.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist an das Anodenrückführsystem 6 eine Gastrennvorrichtung 8 angeschlossen. Die Gastrennvorrichtung 8 umfasst ein Trennmodul 10, in dem ein eingehendes Gasgemisch 12, das ein Brenngas und mindestens ein Zusatzgas umfasst, zumindest in einen Brenngasanteil 14, in dem die Konzentration des Brenngases bezüglich des eingehenden Gasgemisches erhöht ist und mindestens einen Abgasanteil 16, in dem die Konzentration des Zusatzgases bezüglich des eingehenden Gasgemisches 12 erhöht ist, aufteilbar ist. Hierzu umfasst die Gastrennvorrichtung 8 mindestens eine Zuführleitung 18, durch die das eingehende Gasgemisch 12 von der Verbrauchsstelle 4 des Brennstoffzellensystems 2 dem Trennmodul 10 zuführbar ist.
Darüber hinaus umfasst die Gastrennvorrichtung 8 mindestens eine Rückführleitung 20, durch die der Brenngasanteil 14 der Verbrauchsstelle 4 des Brennstoffzellensystems 2 rückführbar ist. Ferner umfasst die Gastrennvorrichtung 8 einen Abscheider 22, durch den der Abgasanteil 16 an die Umgebung und/oder ein Abgasaggregat 24 des Kraftfahrzeugs abscheidbar ist.
Das Trennmodul 10 umfasst bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ein Trennmittel 26, durch das das Brenngas und das Zusatzgas mittels ihrer unterschiedlichen Trägheitskräfte voneinander separierbar sind.
Hierbei kann das Trennmittel 26 des Trennmoduls 10 eine Zentrifuge, eine Turbinenpumpe, eine Trenndüse, einen Zyklon, ein zyklonrohrartiges Gerät und/oder eine oder mehrere scharfkantige Kurven umfassen.
Bei dem Brenngas kann es sich um Wasserstoff und bei dem Zusatzgas kann es sich um Stickstoff handeln. Stickstoff diffundiert von der Luftseite durch die Membran zur Brenngasseite als Zusatzgas beim Betrieb des Brennstoffzellensystems, wenn als Oxidator Luft verwendet wird.
Dadurch, dass das wasserstoffumfassende Brenngas ein geringeres Molekülgewicht umfasst als das durch Stickstoff gebildete Zusatzgas, ist es durch das Trennmittel 26 ermöglicht, Brenngas und Zusatzgas durch Beschleunigungs- oder Fliehkräfte voneinander zu trennen. Hierdurch wird das schwerere Zusatzgas bezüglich einer Rotationsachse weiter nach außen verdrängt als das leichtere Brenngas.
Bei dem in 1 ersichtlichen Ausführungsbeispiel umfasst die Gastrennvorrichtung 8 einen Abscheider 22, der ein Ablassventil 28 aufweist. Dieses kann elektronisch ansteuerbar sein und beispielsweise durch eine Steuereinheit 30, der ein Sensorelement 32 funktional zuordenbar ist, geöffnet oder geschlossen werden, insbesondere in Abhängigkeit einer durch das Sensorelement 32 erfassten Konzentration von Zusatzgas im Abgasanteil 16. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass über den Abscheider 22 der Verlust von Brenngas reduzierbar ist.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen sowie in der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln, als auch in jeder beliebigen Kombination in der Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

2: Brennstoffzellensystem
4: Verbrauchstelle
6: Anodenrückführsystem
8: Gastrennvorrichtung
10: Trennmodul
12: Gasgemisch
14: Brenngasanteil
16: Abgasanteil
18: Zuführleitung
20: Rückführleitung
22: Abscheider
24: Abgasaggregat
26: Trennmittel
28: Ablassventil
30: Steuereinheit
32: Sensorelement

Claims

Gastrennvorrichtung (8) für mindestens ein Brennstoffzellensystem (2) eines Verbrauchers mit mindestens einem Trennmodul (10), in dem ein eingehendes Gasgemisch (12), das ein Brenngas und mindestens ein Zusatzgas umfasst, zumindest in einen Brenngasanteil (14), in dem die Konzentration des Brenngases bezüglich des eingehenden Gasgemisches (12) erhöht ist, und mindestens einen Abgasanteil (16), in dem die Konzentration des Zusatzgases bezüglich des eingehenden Gasgemisches (12) erhöht ist, aufteilbar ist, mit mindestens einer Zuführleitung (18), durch die das eingehende Gasgemisch (12) von einer Verbrauchstelle (4) des Brennstoffzellensystems (2), insbesondere einer Anode, dem Trennmodul (10) zuführbar ist, mit mindestens einer Rückführleitung (20), durch die der Brenngasanteil (14) dem Verbrauchstelle (4) des Brennstoffzellensystems (2) rückführbar ist, und mit mindestens einem Abscheider (22), durch den der an Brenngas verarmte Abgasanteil (16) an die Umgebung und/oder an ein Abgasaggregat (24) des Verbrauchers abführbar ist, wobei das Trennmodul (10) mindestens ein Trennmittel (26) umfasst, durch das das Brenngas und das Zusatzgas mittels ihrer unterschiedlichen Trägheitskräfte voneinander separierbar sind.
Gastrennvorrichtung (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines des mindestens einen Trennmittels (26) mindestens eine Zentrifuge, eine Turbinenpumpe und/oder scharfe Richtungsumlenkung umfasst.
Gastrennvorrichtung (8) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines des mindestens einen Trennmittels (26) mindestens eine Trenndüse, einen Zyklon, ein zyklonrohrartiges Gerät und/oder eine oder mehrere scharfkantige Kurven umfasst.
Gastrennvorrichtung (8) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheider (22) mindestens ein Ablassventil (28) umfasst.
Gastrennvorrichtung (8) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablassventil (28) elektronisch steuerbar ist.
Gastrennvorrichtung (8) nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch mindestens eine Steuereinheit (30), der ein, Sensorelement (32) funktional zuordenbar oder zugeordnet ist und durch die das Ablassventil (28) zum Öffnen und/oder Schließen, insbesondere in Abhängigkeit einer durch das Sensorelement (32) erfassten Konzentration von Zusatzgas im Abgasanteil (16), ansteuerbar ist.
Gastrennvorrichtung (8) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngas Wasserstoff und/oder das Zusatzgas zumindest Stickstoff umfasst.
Gastrennvorrichtung (8) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrauchstelle (4) des Brennstoffzellensystems (2) eine Anode umfasst.
Brennstoffzellensystem (2) eines Verbrauchers mit mindestens einer Verbrauchstelle (4), wie Anode, mit mindestens einem Anodenrückführsystem (6) und mit mindestens einer Gastrennvorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die an das Anodenrückführsystem (6) anschließbar oder angeschlossen ist.
Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (2) mindestens ein System mit einer Polymerelektrolytmembran (PEMFC) umfasst.
Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (2) mindestens ein System mit einem oxidbasierten lonenleiter (SOFC) umfasst.
Brennstoffzellensystem (2) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (2) mindestens ein System mit einem phosphorsäurebasierten lonenleiter (PAFC) umfasst.
Brennstoffzellensystem (2) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (2) mindestens ein System mit einem karbonatbasierten lonenleiter (MCFC) umfasst.
Brennstoffzellensystem (2) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (2) mindestens ein System mit einem laugenbasierten lonenleiter (AFC) umfasst.
Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (2) nach einem der Ansprüche 9 bis 14 und/oder mit mindestens einer Gastrennvorrichtung (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.