DE102020212110A1

DE102020212110A1 - Vorrichtung zur Bestimmung der Wasserstoff-Konzentration eines Abgases in einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102020212110A1
Application number: DE102020212110.9A
Authority: DE
Inventors: Tobias Falkenau; Timo Bosch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2022-03-31
Also published as: WO2022063811A1; US20230361326A1; CN116195103A

Abstract

Vorrichtung (1) zur Bestimmung der Wasserstoff-Konzentration eines Fluides in einer Abgasleitung (12) eines Brennstoffzellensystems (100), mit einem Sensor (14), welcher in einem Rohrabschnitt angeordnet ist, wobei der Rohrabschnitt einer Einströmöffnung und einer Ausströmöffnung aufweist. Ein Mischelement (8) vermischt ein Abgas, welches durch die Einströmöffnung (4) strömt, so dass unterschiedliche Komponenten des Abgases eine homogene Verteilung aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Wasserstoff-Konzentration eines Abgases in einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 9.
Stand der Technik
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren, und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellen werden meistens zu einem Brennstoffzellenstack zusammengebaut. Die Brennstoffzellenstacks brauchen Sauerstoff, zumeist gewonnen aus der einfachen Luft aus der Umgebung, und Brennstoff, zumeist Wasserstoff, für die chemische Reaktion.
Es ist bekannt, dass über den Luftmassenstrom, welcher dem Brennstoffzellenstack über den Luftpfad zugeführt wird, Stickstoff an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstacks gelangt. Dieser Stickstoff diffundiert in Teilen über die Membran des Brennstoffzellenstacks auf die Anodenseite und verdrängt den Wasserstoff an der Anodenseite, so dass die normalen Reaktionen gehemmt werden. Um den Stickstoffanteil auf der Anodenseite zu reduzieren, kann durch ein Ventil mit einer Spülleitung von der Anodenseite bzw. von der Zirkulationsleitung zur Abgasleitung der Brennstoffzelle führen, um das Anodengas mit einem hohen Anteil an Stickstoff über die Abgasleitung in die Umgebung zu leiten. Um den Anteil von Wasserstoff in der Abgasleitung zu überprüfen, ist in der Abgasleitung ein Wasserstoff-Sensor angeordnet.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Wasserstoff-Konzentration eines Abgases in einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems und das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen gemäß der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass mit einer höheren Genauigkeit der Wasserstoffgehalt in der Abgasleitung bestimmt werden kann. Dies ist wichtig, damit gegebenenfalls Maßnahmen getroffen werden können, um eine zu hohe Konzentration an Wasserstoff und damit ein explosionsfähiges Gemisch zu vermeiden.
Durch das erfindungsgemäße Mischelement wird ein Fluid, welches durch die Einströmöffnung strömt, durch eine Veränderung der Strömungsverhältnisse vermischt, so dass unterschiedliche Komponenten innerhalb des Abgases eine homogene Verteilung aufweisen.
Ohne die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht die Gefahr, dass der Sensor eine zu geringe oder zu hohe Konzentration von Wasserstoff im Abgas detektiert, da sich das Purgegas nicht gleichmäßig in der Abgasleitung verteilt hat und eventuell an der Position des Sensors lokal eine zu geringe oder zu hohe Konzentration von Wasserstoff vorliegt, die nicht mit dem mittleren Konzentrationswert übereinstimmt.
Es ergeben sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtungen Vorteile in Bezug auf den Bauraum, da eine kürzere Leitungsstrecke benötigt wird, bis sich eine gleichmäßige Durchmischung von Wasserstoff und der weiteren Abgase in der Abgasleitung ergibt. Folglich kann die Abgasleitung kürzer ausgestaltet werden.
Falls eine zu hohe Konzentration von Wasserstoff detektiert wird, besteht die Möglichkeit einer gezielten Erhöhung des Luftmassenstromes in der Abgasleitung, welcher eventuell über eine Bypassverbindung direkt aus dem Luftpfad in die Abgasleitung geleitet werden kann. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Zufuhr von Anodengas zu stoppen oder zu reduzieren. Eine weitere Möglichkeit besteht darin den Wasserstoff katalytisch zu verbrennen.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Wasserstoff-Konzentration eines Abgases in einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems und des Brennstoffzellensystems angegeben.
Es ist von Vorteil, wenn die Vorrichtung einen Anschluss für eine Purgeleitung aufweist, wobei über den Anschluss ein Purgegas der Purgeleitung in den Rohrabschnitt geleitet wird. Durch eine definierte Einströmstelle des Purgegases kann die Form und Position des Mischelementes so gewählt werden, dass am Sensor eine möglichst homogene Vermischung des Purgegases aus der Purgegasleitung und des Abgases aus der Abgasleitung vorliegt.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn der Anschluss für die Purgeleitung zwischen der Einströmöffnung und dem Mischelement angeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, dass die Einströmöffnung auf der Höhe des Mischelementes platziert wird, so dass das Abgas aus der Abgasleitung schon im Strömungsverhalten verändert wurde, wenn das Purgegas eintritt.
Eine vorteilhafte Struktur für ein Mischelement kann durch eine Spiralstruktur, eine Gitterstruktur oder eine Kaskade aus Umlenkblechen gebildet werden.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn über den Anschluss das Purgegas nicht punktuell, sondern an mehreren Einleitungspunkten in den Rohrabschnitt strömt, da auf diese Weise schon eine erste Verteilung des Purgegases gewährleistet ist. Vorteilhaft ist hierbei eine radiale Verteilung der Einleitungspunkte über eine Außenwand des Rohrabschnittes.
Aufgrund der noch höheren Flexibilität und der dadurch besseren Durchmischung ist es vorteilhaft, wenn die Einleitungspunkte am Mischelement angeordnet sind, so dass Purgegas in axialer und/oder radialer Richtung in den Rohrabschnitt strömt.
Abhängig von den lokalen Strömungsverhältnissen ist es durch das Einbauelement möglich, den Sensor je nach Bedarf an einer Außenwand des Rohrabschnittes oder an dem Einbauelement zu befestigen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

1 eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine Vorrichtung zur Bestimmung der Wasserstoff-Konzentration eines Fluides in einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems in einer schematischen Darstellung,
3 eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
4 Vorrichtungen zur Bestimmung der Wasserstoff-Konzentration eines Fluides in einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems mit unterschiedlichen Einbauelement in einer schematischen Darstellung und
5 eine Vorrichtung zur Bestimmung der Wasserstoff-Konzentration eines Fluides in einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems mit als Rohr ausgebildeten Einbauelement in einer schematischen Darstellung und
6 eine weitere Vorrichtung zur Bestimmung der Wasserstoff-Konzentration eines Fluides in einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems in einer schematischen Darstellung.

In der 1 ist eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt mit mindestens einem Brennstoffzellenstack 101. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 weist einen Luftpfad 10, eine Abgasleitung 12 und eine Brennstoffleitung 20 auf. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 kann für mobile Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, bspw. in LKW's, oder für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, eingesetzt werden.
Der Luftpfad 10 dient als Zuluftleitung, um den Brennstoffzellenstack 101 über einen Einlass 16 Luft aus der Umgebung zuzuführen. In dem Luftpfad 10 sind Komponenten angeordnet sein, welche für den Betrieb des Brennstoffzellenstacks 101 benötigt werden. Im Luftpfad 10 ist ein Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 angeordnet sein, welcher die Luft entsprechend der jeweiligen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstacks 101 verdichtet bzw. ansaugt. Stromabwärts vom Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 kann sich ein Befeuchter 15 befinden, welcher den Wassergehalt der Luft im Luftpfad 10 erhöht.
Innerhalb des Luftpfades 10 können noch weitere Komponenten wie beispielsweise ein Filter und/oder ein Wärmetauscher und/oder Ventile vorgesehen sein. Über den Luftpfad 10 wird dem Brennstoffzellenstack 101 sauerstoffhaltige Luft bereitgestellt.
Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem 100 eine Abgasleitung 12 auf, in welcher Wasser, sowie weitere Bestandteile der Luft aus dem Luftpfad 10, nach dem Durchgang durch den Brennstoffzellenstack 101 über einen Auslass 18 in die Umgebung transportiert werden. Das Abgas der Abgasleitung 12 kann auch Wasserstoff (H2) enthalten, weil Teile des Wasserstoffes durch die Membran des Brennstoffzellenstacks 101 diffundieren können.
Das Brennstoffzellensystem 100 kann des Weiteren einen Kühlkreislauf aufweisen, welcher zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks 101 ausgebildet ist. Der Kühlkreislauf ist in der 1 nicht eingezeichnet, da er nicht Bestandteil der Erfindung ist.
Im Eingang der Brennstoffleitung 20 befinden sich ein Hochdrucktank 21 und ein Absperrventil 22. Es können weitere Komponenten in der Brennstoffleitung 20 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstack 101 nach Bedarf mit Brennstoff zu versorgen.
Um den Brennstoffzellenstack 101 immer ausreichend mit Brennstoff zu versorgen, besteht die Notwendigkeit einer überstöchiometrischen Dosierung von Brennstoff über die Brennstoffleitung 20. Der überschüssige Brennstoff, sowie gewisse Mengen von Wasser und Stickstoff, die durch die Zellmembranen auf die Anodenseite diffundieren, werden in einer Rezirkulationsleitung 50 zurückgeführt und mit dem zudosierten Brennstoff aus der Brennstoffleitung 20 vermischt.
Zum Antrieb des Rezirkulationskreises 50 können verschiedene Komponenten, wie beispielsweise eine mit dem zudosierten Brennstoff betriebene Strahlpumpe 51 oder ein Gebläse 52 verbaut sein. Auch eine Kombination von Strahlpumpe 51 und Gebläse 52 sind möglich.
Da die Menge an Wasser und Stickstoff mit der Zeit immer weiter ansteigt, muss der Rezirkulationskreis 50 von Zeit zu Zeit gespült werden, so dass die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstacks 101 aufgrund einer zu hohen Stickstoffkonzentration in der Brennstoffleitung 20 nicht abnimmt.
Es ist eine Purgeleitung 40 zwischen der Zirkulationsleitung 50 und der Abgasleitung 12 angeordnet, so dass das Gasgemisch aus der Zirkulationsleitung 50 in die Abgasleitung 12 strömen kann.
In der Purgeleitung 40 kann ein Purgeventil 44 angeordnet sein, welches die Verbindung zwischen der Zirkulationsleitung 50 und der Abgasleitung 12 öffnen und schließen kann. Das Purgeventil 44 wird meist für eine kurze Zeit geöffnet, so dass das Gasgemisch über die Purgeleitung 40 in die Abgasleitung 12 geleitet wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist in der Abgasleitung 12 eine Vorrichtung 1 zur Bestimmung der H2- Konzentration angeordnet.
2 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Bestimmung der H2-Konzentration in schematischer Darstellung. Die Vorrichtung 1 wird durch einen Rohrabschnitt 2 mit einem Sensor 14, welcher die Wasserstoff-Konzentration in einem Fluid messen kann, gebildet. Der Rohrabschnitt 2 weist eine Einströmöffnung 4 und eine Ausströmöffnung 6 auf. Des Weiteren ist im Rohrabschnitt 2 ein Mischelement 8 angeordnet, welches das Fluid, welches aus der Abgasleitung 12 durch die Einströmöffnung 4 gelang, so vermischt wird, so dass unterschiedliche Komponenten innerhalb des Abgases eine homogene Verteilung aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Rohrabschnitt 2 einen Anschluss 41 für die Purgeleitung 40 aufweisen.
Der Anschluss 41 für die Purgeleitung 40 ist zwischen der Einströmöffnung 4 und dem Mischelement 8 angeordnet ist, so dass der Sensor 14 bei der Messung sowohl die Wasserstoff-Konzentration aus der Abgasleitung 12, als auch aus der Purgeleitung 40 misst.
1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 mit einer Vorrichtung ohne Anschluss 41, bei der die Purgeleitung 40 in Strömungsrichtung vor der Vorrichtung 1 in die Abgasleitung 12 mündet.
In der 3 ist ein Brennstoffzellensystem 100 mit einer Vorrichtung 1 mit Anschluss 41 gezeigt. Hier ist die Purgeleitung 40 mit dem Anschluss 41 verbunden, so dass das Purgegas direkt aus der Purgeleitung 40 über den Anschluss 41 in die Vorrichtung strömen kann.
4 zeigt eine Vorrichtungen 1 mit einem Mischelement 8, welches aus verdrehten Rechteckplatten gebildet wird. Durch das Mischelement werden die turbulenten oder laminaren Strömungsprofile zerstört, so dass es zu einer größeren Durchmischung der einzelnen Fluidpartikel innerhalb eines Strömungsquerschnittes im Rohrabschnitt kommt. In der Figur, sind die Verwirbelungen des Fluides durch Pfeile angedeutet.
5 zeigt eine Vorrichtung 1, bei der das Mischelement 8 durch ein Strömungsgitter gebildet wird. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann das Mischelement 8 durch eine Spiralstruktur oder eine Kaskade aus Umlenkblechen gebildet wird.
6 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der durch den Anschluss 41 das Purgegas nicht punktuell, sondern an mehreren Einleitungspunkten 42 in den Rohrabschnitt 2 strömt. Hierbei können die Einleitungspunkte 42 radial über eine Außenwand des Rohrabschnittes 2 verteilt sein. Es ist auch möglich, dass die Einleitungspunkte 42 am Mischelement 8 angeordnet sind, so dass Purgegas in axialer und/oder radialer Richtung in den Rohrabschnitt 2 strömt.
Der Sensor 14 kann an einer Außenwand 3 des Rohrabschnittes 2 oder an dem Mischelement 8 befestigt werden.

Claims

Vorrichtung (1) zur Bestimmung der Wasserstoff-Konzentration eines Abgases in einer Abgasleitung (12) eines Brennstoffzellensystems (100), mit einem Sensor (14), welcher in einem Rohrabschnitt (2) angeordnet ist, wobei der Rohrabschnitt (2) einer Einströmöffnung (4) und einer Ausströmöffnung (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Mischelement (8), ein Fluid, welches durch die Einströmöffnung (4) strömt, vermischt wird, so dass unterschiedliche Komponenten innerhalb des Abgases eine homogene Verteilung aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrabschnitt (2) einen Anschluss (41) für eine Purgeleitung (40) aufweist, wobei über den Anschluss (41) ein Purgegas der Purgeleitung (40) in den Rohrabschnitt (2) geleitet wird.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss (41) für die Purgeleitung (40) zwischen der Einströmöffnung (4) und dem Mischelement (8) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischelement (8) durch eine Spiralstruktur, eine Gitterstruktur oder eine Kaskade aus Umlenkblechen gebildet wird.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Anschluss (41) das Purgegas nicht punktuell, sondern an mehreren Einleitungspunkten (42) in den Rohrabschnitt (2) strömt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitungspunkte (42) radial über eine Außenwand (3) des Rohrabschnittes (2) verteilt sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitungspunkte (42) am Mischelement (8) angeordnet sind, so dass Purgegas in axialer und/oder radialer Richtung in den Rohrabschnitt (2) strömt.
Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (14) an einer Außenwand (3) des Rohrabschnittes (2) oder an dem Mischelement befestigt ist.
Brennstoffzellensystem (100) mit mindestens einem Brennstoffzellenstack (101), einem Luftpfad (10), wobei über den Luftpfad (10) Luft aus der Umgebung zur Brennstoffzelle gelangt, einer Abgasleitung (12), einer Brennstoffleitung (20), wobei über die Brennstoffleitung (20) Brennstoff zum Brennstoffzellenstack (101) transportiert wird, und einer Zirkulationsleitung (50), wobei die Zirkulationsleitung (50) eine Purgeleitung (40) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasleitung (12) eine Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Purgeleitung (40) mit dem Anschluss (41) der Vorrichtung (1) verbunden ist.