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Stand der Technik
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Brennstoffzellen, wie bspw. Festoxidbrennstoffzellen, wandeln chemische Energie in einer Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff mit einem charakteristischen Wirkungsgrad in elektrische Energie um.
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Es ist bekannt, dass Wasserstoff bspw. mittels flüssiger organischer Wasserstoffträger in großen Mengen gespeichert werden und wieder freigegeben werden kann. Eine von einem flüssigen organischen Wasserstoffträger freigegebene Menge Wasserstoff kann unpolare organische Verunreinigungen, wie bspw. Kohlenmonoxide oder Kohlenwasserstoffe enthalten. Derartige Verunreinigungen können einen Katalysator einer Brennstoffzelle schädigen und eine Effizienz bzw. eine Leistung der Brennstoffzelle reduzieren.
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Entsprechend ist ein Betrieb von Brennstoffzellen mit reinem bzw. im Wesentlichen frei von Verunreinigungen vorliegenden Wasserstoff besonders vorteilhaft.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden eine Filtereinheit, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein für einen effizienten Betrieb eines Brennstoffzellensystems optimiertes Fluid bereitzustellen.
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Es wird somit in einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung eine Filtereinheit zum Filtern eines Fluids zum Betrieb einer Brennstoffzelle vorgestellt. Die Filtereinheit umfasst mindestens ein Filterelement, das mit einem Filtermaterial befüllt ist, das Cyclodextrin umfasst.
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Unter einem Filtern eines Fluids ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Vorgang zu verstehen, bei dem Verunreinigungen, wie bspw. Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxide oder andere organische Substanzen, aus einem verunreinigten Fluid zumindest tlw. entfernt werden.
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Unter einem Fluid ist im Kontext ein Betriebsfluid zum Betreiben einer Brennstoffzelle zu verstehen, das insbesondere Wasserstoff umfasst.
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Cyclodextrin ist ein Material, das Cyclodextrine also Oligosaccharide, die bspw. enzymatisch aus stärkehaltigen Rohstoffen wie bspw. Mais oder Kartoffeln hergestellt werden, umfasst. Cyclodextrine haben eine ringförmige, dreidimensionale Struktur mit einer hydrophilen Außenseite und einer lipophilen Innenseite. Dies bedeutet, dass Cyclodextrine in ihrem Inneren einen hydrophoben Raum ausbilden, der dazu geeignet ist, ein lipophiles Molekül reversibel aufzunehmen.
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Die vorgestellte Filtereinheit basiert auf einem Filtermaterial, das Cyclodextrin also eine Vielzahl von Cyclodextrinmolekülen umfasst. Durch das Cyclodextrin ist die vorgestellte Filtereinheit in der Lage, lipophile Verunreinigungen in einem wasserstoffhaltigen Fluid zu binden und, dadurch bedingt, das Fluid von den lipophilen Verunreinigungen zu reinigen. Entsprechend eignet sich die Filtereinheit besonders vorteilhaft zum Reinigen von wasserstoffhaltigem Fluid, das unter Verwendung von flüssigen organischen Wasserstoffträgern gelagert bzw. transportiert wurde. Dies bedeutet, dass die vorgestellte Filtereinheit zum Bereitstellen von reinem Wasserstoff bzw. im Wesentlichen frei von Verunreinigungen, insbesondere organischen, unpolaren Verunreinigungen, vorliegenden Wasserstoff geeignet ist.
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Die vorgestellte Filtereinheit kann jede technisch geeignete Form aufweisen. Insbesondere umfasst die Filtereinheit eine Anzahl Einlässe, durch die verunreinigtes Fluid dem Filtermaterial zuführbar ist und eine Anzahl Auslässe, durch die von dem Filtermaterial gereinigtes Fluid aus der Filtereinheit abführbar ist.
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Insbesondere kann die vorgestellte Filtereinheit für eine Druckbefüllung, d.h. einen Befüllungsvorgang, bei dem verunreinigtes Fluid mit einem Druck größer einem Atmosphärendruck in die Filtereinheit geleitet wird, optimiert sein. Dazu kann die Filtereinheit bspw. zylinderförmig ausgestaltet sein und/oder Verstärkungsstrukturen aufweisen, die einem Bersten der Filtereinheit entgegenwirken.
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Insbesondere kann die vorgestellte Filtereinheit ein Wasserstofftank mit einem Einlassventil und einem Ablassventil sein.
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Das Filtermaterial der Filtereinheit kann pulverförmig, fest, insbesondere gepresst oder in jeder weiteren technisch geeigneten Form vorliegen. Bspw. kann das Filtermaterial auf einem Trägermaterial aufgebracht sein und/oder durch einen Mechanismus in der Filtereinheit bewegt bzw. umgeschichtet werden.
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Die Filtereinheit umfasst ein Filterelement, wie bspw. einen Reaktor, in dem das Filtermaterial gelagert ist und in dem eine Wechselwirkung zwischen einem verunreinigten Fluid und dem Filtermaterial stattfindet. Das Filterelement kann derart gestaltet sein, dass eine Kontaktfläche für einen Kontakt zwischen jeweiligem verunreinigten Fluid und dem Filtermaterial maximiert wird bzw. maximal ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Filtermaterial zumindest ein Material der folgenden Liste an Materialien umfasst: alpha-Cyclodextrin, beta-Cyclodextrin, gamma-Cyclodextrin, polymeres Cyclodextrin, pulverförmiges Cyclodextrin und gepresstes Cyclodextrin.
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Generell eignet sich jede Form bzw. jede Mischung von Cyclodextrinen als Filtermaterial, wobei sich eine Mischung mit Beta-Cyclodextrinpolymer aufgrund seiner besonders hohen Reinigungsleistung als überraschend effizient herausgestellt hat. Selbstverständlich eignet sich auch reines bzw. im Wesentlichen reines Cyclodextrin, insbesondere Beta-Cyclodextrinpolymer als Filtermaterial.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Filtermaterial zusätzlich zu dem Cyclodextrin mindestens ein Material der folgenden Liste an Materialien umfasst: Graphit, Graphen, Phthalocyanin, Silica und Schaumkeramik.
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Durch eine Kombination von Cyclodextrin mit Materialien, die eine besonders große Oberflächenstruktur aufweisen, kann eine Kontaktfläche zwischen einem zu reinigenden Fluid und dem Cyclodextrin maximiert werden. Dabei können bspw. mit Cyclodextrin beschichtete Graphite, Graphene, Phthalocyanine, Silicate und/oder Schaumkeramiken als Filtermaterial der vorgestellten Filtereinheit verwendet werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Filtereinheit mindestens eine Schnittstelle zum Anlegen eines Vakuums umfasst.
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Mittels einer Schnittstelle zum Anlegen eines Vakuums, das bspw. von einem Sauger erzeugt wird, kann das Filtermaterial der vorgestellten Filtereinheit mit dem Vakuum beaufschlagt werden. Entsprechend wirkt durch das Vakuum eine Kraft auf das Filtermaterial, durch die in jeweiligen Cyclodextrinmolekülen gebundene Verunreinigungen aus den Cyclodextrinmolekülen herausgelöst und die Cyclodextrinmoleküle dadurch erneut zum Reinigen eines verunreinigten Fluids verwendet werden können.
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Die Schnittstelle zum Anlegen eines Vakuums kann bspw. eine wiederverschließbare Öffnung bzw. ein Ventil der Filtereinheit sein, die strömungstechnisch mit dem Filtermaterial verbunden ist.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Filtereinheit mindestens ein Temperierungselement zum Einstellen einer Temperatur in dem Filterelement umfasst.
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Mittels eines Temperierungselements, wie bspw. einer Heizung, insbesondere einer Heizspule bzw. einem Heizkreislauf und/oder einem Kühler, insbesondere einem Kühlkreislauf, kann eine Temperatur in dem Filterelement eingestellt und entsprechend für eine Bindung von Verunreinigungen an das erfindungsgemäß vorgesehene Cyclodextrin optimiert werden.
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Insbesondere kann mittels eines Temperierungselements eine Temperatur in dem Filterelement für einen Filterungsvorgang zum Filtern von Verunreinigungen oder für einen Reinigungsvorgang zum Reinigen des Filtermaterials von Verunreinigungen optimiert werden.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel und mindestens eine mögliche Ausgestaltung der vorgestellten Filtereinheit. Die mindestens eine Filtereinheit ist dabei in einer Leitung zur Zufuhr eines Fluids zu dem Brennstoffzellenstapel angeordnet und dazu konfiguriert, das Fluid von Verunreinigungen zu reinigen.
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Das vorgestellte Brennstoffzellensystem kann aufgrund der integrierten Filtereinheit mit verunreinigtem Fluid versorgt werden. Durch die Filtereinheit wird das verunreinigte Fluid gereinigt und ein Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems entsprechend effizient und materialschonend betrieben.
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Es kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Filtereinheit als Druckminderer wirkt und dazu konfiguriert ist, einen Druck, mit dem das Fluid auf den Brennstoffzellenstapel strömt, auf einen vorgegebenen Druck zu reduzieren.
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Die Filtereinheit des vorgestellten Brennstoffzellensystems kann bspw. derart ausgestaltet sein, dass ein Staudruck beim Strömen von Fluid durch die Filtereinheit, insbesondere durch das Filtermaterial, entsteht. Durch einen solchen Staudruck wird zum einen ein Ausgangsdruck, mit dem gereinigtes Fluid aus der Filtereinheit ausströmt gegenüber einem Eintrittsdruck in die Filtereinheit reduziert, insbesondere auf einen vorgegebenen Wert reduziert. Zum anderen kann durch einen solchen Staudruck eine Geschwindigkeit, mit der ein zu reinigendes Fluid durch die Filtereinheit strömt, gegenüber einer Eintrittsgeschwindigkeit in die Filtereinheit reduziert, insbesondere auf einen vorgegebenen Wert reduziert werden, sodass eine Mindestkontaktzeit zwischen dem Filtermaterial der Filtereinheit und dem verunreinigten Fluid und eine entsprechende Mindestfilterleistung sichergestellt ist.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem ein Festoxidbrennstoffzellensystem oder ein Membranbrennstoffzellensystem ist.
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In einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung die Verwendung von Cyclodextrin zum Filtern eines Fluids zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems.
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In einem vierten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems. Das Verfahren umfasst einen Bereitstellungsschritt zum Bereitstellen mindestens einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Filtereinheit an einem Brennstoffzellensystem und einen Betriebsschritt zum Betreiben des Brennstoffzellensystems, indem Fluid zum Betrieb des Brennstoffzellensystems zu der mindestens einen Filtereinheit geleitet und durch die mindestens eine Filtereinheit gereinigtes Fluid zu einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems geleitet wird.
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Das vorgestellte Verfahren kann insbesondere kontinuierlich durchgeführt werden und einen effizienten und materialschonenden Betrieb eines Brennstoffzellensystems gewährleisten.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Verfahren einen Anlegeschritt zum Anlegen eines Vakuums an der mindestens einen Filtereinheit, um das Filtermaterial von Verunreinigungen zu reinigen, oder einen Ersetzungsschritt zum Ersetzen der mindestens einen Filtereinheit durch mindestens eine frische Filtereinheit bzw. zum Aufbereiten der Filtereinheit mittels Ersetzen des Filterelements durch ein frisches Filterelement umfasst.
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Durch eine Reinigung eines jeweiligen Filtermaterials kann ein besonders kostengünstiger Betrieb eines Brennstoffzellensystems ermöglicht werden.
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Durch einen Austausch einer jeweiligen Filtereinheit kann ein besonders langes Wartungsintervall beim Betrieb eines Brennstoffzellensystems erreicht werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1 eine mögliche Ausgestaltung der vorgestellten Filtereinheit,
- 2 die Filtereinheit gemäß 1 mit einer Schnittstelle zum Anlegen eines Vakuums,
- 3 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Bren nstoffzellensystems,
- 4 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens.
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In 1 ist eine Filtereinheit 100 dargestellt. Die Filtereinheit 100 umfasst ein Filterelement 101, das mit Filtermaterial 103 befüllt ist.
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Das Filtermaterial 103 besteht zumindest tlw. aus Cyclodextrin. Insbesondere kann das Filtermaterial 103 alpha-Cyclodextrin, beta-Cyclodextrin, gamma-Cyclodextrin, pulverförmiges Cyclodextrin, polymeres Cyclodextrin und/oder gepresstes Cyclodextrin umfassen. Zusätzlich kann das Filtermaterial Graphit, Graphen, Phthalocyanin, Silica und/oder Schaumkeramik umfassen.
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Die Filtereinheit 100 dient zum Filtern bzw. zum Reinigen eines Fluids 105, vorliegend eines Wasserstoffgases, das mit Verunreinigungen 107, wie bspw. Kohlenwasserstoffen, verunreinigt ist.
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Zum Reinigen des verunreinigten Fluids 105 wird das Fluid 105 in die Filtereinheit 100 geleitet, wie durch Pfeil 109 angedeutet.
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Das Filtermaterial 103, insbesondere das Cyclodextrin in dem Filtermaterial 103 nimmt die Verunreinigungen 107 auf und lässt gereinigtes Fluid 111 passieren. Entsprechend tritt das gereinigte Fluid 111 gefiltert aus der Filtereinheit 100 aus, wie durch Pfeil 113 angedeutet.
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In 2 ist die Filtereinheit 100 mit einer Schnittstelle 200 zum Anlegen eines Vakuums dargestellt.
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Das Cyclodextrin bzw. die Cyclodextrinmoleküle des Filtermaterials 103 sind dazu konfiguriert, die Verunreinigungen im Inneren ihrer ringförmigen Struktur reversibel zu binden. Entsprechend können mit Verunreinigungen besetzte Cyclodextrinmoleküle durch ein Reinigungsverfahren, wie bspw. durch Anlegen eines Vakuums bzw. eines Unterdrucks an dem Filterelement 101 von den Verunreinigungen 107 gereinigt und für ein erneutes Filtern von verunreinigtem Fluid 105 verwendet werden. Dazu kann die Schnittstelle 200 über ein Ventil 201 geöffnet oder geschlossen werden, um ein Einwirken eines von bspw. einem externen Sauger bereitgestellten Vakuums auf das Filtermaterial 103 zu ermöglichen.
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Optional können Absperrventile 203 und 205 vorgesehen sein, die beim Anlegen eines Vakuums an der Schnittstelle 200 geschlossen werden können, um eine Sogwirkung des Vakuums auf das Filtermaterial 103 und entsprechend auf die Cyclodextrine zu maximieren, sodass sich die Verunreinigungen 107 von den Cyclodextrinen lösen und aus der Filtereinheit 100 abgeführt werden können, wie durch Pfeil 207 angedeutet.
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Mittels eines optionalen Temperierungselements 209 kann eine Temperatur in dem Filterelement 101 eingestellt werden, sodass bspw. das Filtermaterial 103 bzw. die Cyclodextrine sich besonders leicht von den gebundenen Verunreinigungen 107 trennen lassen. Dazu kann das Temperierungselement 209 eine Heizung und/oder einen Kühler umfassen bzw. von einer externen Heizung bereitgestellte Wärmeenergie oder von einem externen Kühler bereitgestellte Kühlenergie über ein Temperierungsmedium, wie bspw. Wasser, zu dem Filterelement 101 leiten.
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In 3 ist ein Brennstoffzellensystem 300 dargestellt, das eine Filtereinheit 301, wie bspw. die in 1 dargestellte Filtereinheit 100 und einen Brennstoffzellenstapel 303 umfasst.
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Zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 300 wird ein wasserstoffhaltiges Fluid aus einem Druckspeicher in die Filtereinheit 301 geleitet und durch ein Filtermaterial der Filtereinheit 301 gefiltert. Entsprechend führt die Filtereinheit 301 dem Brennstoffzellenstapel gereinigtes Fluid, d.h. reinen Wasserstoff oder im Wesentlichen reinen Wasserstoff zu.
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Aufgrund der physikalischen Eigenschaften der Filtereinheit 301 wirkt die Filtereinheit 301 als Druckminderer zwischen dem Druckspeicher und dem Brennstoffzellenstapel 303, sodass optional auf ein Druckminderungsventil in dem Brennstoffzellensystem verzichtet werden kann. Dabei können bspw. mehrere Filtereinheiten 301 hintereinander angeordnet werden, um einen vorgegebenen Betriebsdruck zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels 303 mit Betriebsfluid einzustellen.
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Insbesondere kann das Brennstoffzellensystem 300 ein Festoxidbrennstoffzellensystem oder ein Membranbrennstoffzellensystem sein.
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In 4 ist ein Verfahren 400 dargestellt. Das Verfahren 400 umfasst einen Bereitstellungsschritt 401 zum Bereitstellen der vorgestellten Filtereinheit an einem Brennstoffzellensystem und einen Betriebsschritt 403 zum Betreiben des Brennstoffzellensystems, indem Fluid zum Betrieb des Brennstoffzellensystems zu der Filtereinheit geleitet und durch die Filtereinheit gereinigtes Fluid zu einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems geleitet wird.
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In einem optionalen Wartungsschritt 405 kann die Filtereinheit mittels eines Vakuums gereinigt oder durch eine frische Filtereinheit ersetzt bzw. mit einem frischen Filterelement aufbereitet werden.
