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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden und Sammeln von Wasser aus einem Gasstrom. Bei dem Gasstrom kann es sich insbesondere um Luft handeln, die im Betrieb eines Brennstoffzellensystems aus mindestens einer Brennstoffzelle austritt. Die Vorrichtung gelangt daher vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem zum Einsatz.
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Die Erfindung betrifft daher ferner ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, bei dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abscheiden und Sammeln von Wasser aus einem Gasstrom verwendet wird.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser. Als Sauerstofflieferant kann Luft, insbesondere Umgebungsluft, dienen. Die Luft wird über einen Zuluftpfad einer Kathode der Brennstoffzellen zugeführt. Da der Energiewandlungsprozess einen gewissen Luftmassenstrom und ein gewisses Druckniveau erfordert, wird die kathodenseitig zugeführte Luft zuvor mit Hilfe eines im Zuluftpfad angeordneten Luftverdichters verdichtet. Vor dem Eintritt in die Brennstoffzellen wird die Luft zudem befeuchtet, um ein Austrocknen der Membranen der Brennstoffzellen zu verhindern. Andernfalls besteht die Gefahr, dass die Brennstoffzellen beschädigt werden.
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Zum Befeuchten kann ein Gas-zu-Gas Membran-Befeuchter eingesetzt werden, der Wasser, insbesondere Produktwasser, das im Betrieb der Brennstoffzellen anfällt, von der Austrittsseite auf die Eintrittsseite der Brennstoffzellen transportiert. Derartige Befeuchter können aber nur dann Wasser transportieren, wenn zum aktuellen Zeitpunkt auf der „nassen“ Seite Wasser zur Verfügung steht. Sonstiges kathoden- oder anodenseitig anfallendes Wasser wird in der Regel über das Abgassystem an die Umgebung abgegeben.
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Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, die Abscheidung von Wasser aus einem Gasstrom zu optimieren, um dieses Wasser einer Nutzung zuzuführen.
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Zur Lösung der Aufgabe werden die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorgeschlagene Vorrichtung zum Abscheiden und Sammeln von Wasser aus einem Gasstrom umfasst einen als Steigleitung ausgeführten Wasserabscheider und einen Wassertank, der unterhalb des Wasserabscheiders angeordnet ist, wobei der Wasserabscheider an seinem unteren Ende einen in den Wassertank mündenden Ablauf, einen seitlichen Gaseinlass sowie einen an seinem oberen Ende angeordneten Gasauslass aufweist. Der Wasserabscheider der Vorrichtung wird demnach von dem Gasstrom von unten nach oben durchströmt. Im Gasstrom enthaltenes flüssiges Wasser wird dabei - schwerkraftgetrieben - abgeschieden und über den Ablauf in den Wassertank geleitet. Das Gas verlässt den Wasserabscheider in umgekehrter Richtung über den am oberen Ende vorgesehenen Gasauslass.
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Im Wassertank gesammeltes Wasser kann einer Nutzung zugeführt werden, beispielsweise zum Befeuchten der Luft in einem Zuluftpfad eines Brennstoffzellensystems. In diesem Fall kann die Vorrichtung in einen Abluftpfad des Brennstoffzellensystems integriert werden, so dass ihr die aus mindestens einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems austretende feuchte Luft bzw. Abluft zugeführt wird. Auf diese Weise kann eine ausreichend große Menge an Wasser abgeschieden und gesammelt werden, um die der Brennstoffzelle zugeführte Luft zu befeuchten.
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Zur Optimierung der Wasserabscheidung wird vorgeschlagen, dass zwischen dem Gaseinlass und dem Gasauslass ein die Kondensation von Wasserdampf förderndes Element im Wasserabscheider angeordnet ist, beispielsweise in Form eines Gitters oder eines Körpers aus einem porösen Material. Sofern der in den Wasserabscheider aufsteigende Gasstrom noch Wasser in Form von Wasserdampf enthält, kann dieser an dem Element kondensieren und ebenfalls in den Wassertank abgeführt werden.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass dem Gaseinlass eine Venturi-Düse vorgeschaltet ist, die im Bereich einer Querschnittsverengung über eine Steigleitung mit dem Wassertank verbunden ist. Auf diese Weise kann eine Sekundärströmung erzeugt werden, mit deren Hilfe Gas, das mit dem abgeschiedenen Wasser in den Wassertank gelangt über die Steigleitung angesaugt und erneut dem Wasserabscheider zugeführt wird. Gas, das sich im Wassertank sammelt, wird demnach ausgetauscht oder zumindest verdünnt. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn der Vorrichtung ein wasserstoffhaltiger Gasstrom zugeführt wird. Denn in diesem Fall kann mit Hilfe der Venturi-Düse verhindert werden, dass sich eine explosive Ansammlung von Wasserstoff im Wassertank sammelt.
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Des Weiteren kann bzw. können der Wasserabscheider und/oder der Wassertank eine die Innenoberfläche vergrößernde Formgebung oder Einbauten, beispielsweise in Form von Platten, Rippen oder Rohren, aufweisen. Auch diese Maßnahme führt zu einer Optimierung der Wasserabscheidung. An der vergrößerten Innenoberfläche kann mehr Wasserdampf kondensieren. Dies gilt insbesondere, wenn die Innenoberfläche vergleichsweise kühl ist. Zur Kühlung kann beispielsweise Umgebungsluft genutzt werden, die gegenüber der Abluft in einem Brennstoffzellensystem üblicherweise kühler ist. Als weiterbildende Maßnahme wird daher vorgeschlagen, dass die Einbauten des Wasserabscheiders und/oder des Wassertanks zumindest bereichsweise hohl ausgebildet und mit Umgebungsluft beaufschlagbar sind. Auf diese Weise kann eine die Kondensation fördernde Kühlung des Gasstroms erreicht werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Wassertank mittels einer Heizeinrichtung, die vorzugsweise bodenseitig angeordnet ist, beheizbar ist. Sollte im Abstellfall im Wassertank vorhandenes Wasser gefrieren, kann dieses mit Hilfe der Heizeinrichtung schnell aufgetaut werden. Bei Einsatz der Vorrichtung in einem Brennstoffzellensystem kann auf diese Weise die Gefrierstartfähigkeit des Systems verbessert werden.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in oder am Wassertank eine Pumpe zur Entnahme von Wasser angeordnet ist. Da das Wasser nicht nur abgeschieden und gesammelt, sondern einer Nutzung zugeführt werden soll, kann hierzu mit Hilfe der Pumpe Wasser aus dem Wassertank gezielt entnommen und an den Ort der Nutzung gefördert werden. Dies kann in einem Brennstoffzellensystem beispielsweise ein Zulaufpfad sein, über den der mindestens einen Brennstoffzelle Luft zugeführt wird. Mit Hilfe des dem Wassertank entnommenen Wassers kann dann die Luft vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle befeuchtet werden.
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Sollte sich über die Zeit mehr Wasser im Wassertank sammeln als entnommen wird, besteht die Gefahr, dass der Wassertank überläuft. Um dies zu verhindern, kann am Wassertank ein Ventil zum Ablassen von Wasser angeordnet sein.
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Bevorzugt weist der Wassertank mindestens einen weiteren Anschluss zum Einleiten eines Gas- und/oder Wasserstroms auf. Bei Einsatz der Vorrichtung in einem Brennstoffzellensystem kann über den mindestens einen weiteren Einlass beispielsweise eine Gasmenge eingeleitet werden, die über ein Purgeventil aus einem Anodenkreis des Systems abgelassen wird. Alternativ oder ergänzend kann über den mindestens einen weiteren Anschluss dem Wassertank Wasser aus einem weiteren Wasserabscheider zugeführt werden. Dieser kann anodenseitig oder kathodenseitig, beispielsweise stromaufwärts einer in den Abluftpfad integrierten Turbine angeordnet sein. Auf diese Weise kann alles abgeschiedene Wasser in dem Wassertank der Vorrichtung gesammelt und ggf. einer Nutzung zugeführt werden.
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Da die vorgeschlagene Vorrichtung vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem zum Einsatz gelangt, wird ferner ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen.
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Dieses umfasst mindestens eine Brennstoffzelle mit einem Abluftpfad zum Abführen der aus der Brennstoffzelle austretenden Luft sowie eine in den Abluftpfad integrierte erfindungsgemäße Vorrichtung. Da aus einer Brennstoffzelle feuchte Luft austritt, kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Luft enthaltenes Wasser abgeschieden und gesammelt werden. Dies wiederum ermöglicht es, das Wasser einer Nutzung zuzuführen, beispielsweise zum Befeuchten der Luft, die der Brennstoffzelle über einen Zuluftpfad zugeführt wird.
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Bevorzugt ist die Vorrichtung zum Abscheiden und Sammeln von Wasser stromabwärts einer Turbine in den Abluftpfad integriert. Die Turbine dient der Energierückgewinnung. Die Entspannung der Luft beim Hindurchströmen durch die Turbine fördert das Kondensieren von Wasserdampf, so dass auch dieses Wasser mit Hilfe der Vorrichtung zurückgehalten werden kann.
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Sofern im Abluftpfad eine Turbine angeordnet ist, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass in den Abluftpfad, vorzugsweise stromaufwärts der Turbine, ein Wasserabscheider angeordnet ist, der mit dem Wassertank der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbunden ist. Der stromaufwärts der Turbine angeordnete weitere Wasserabscheider entzieht der feuchten Abluft Wasser, bevor sie in die Turbine gelangt. Auf diese Weise können Schäden der Turbine, beispielsweise durch Tropfenschlag oder Tropfenerosion, vermieden werden. Das mit Hilfe des Wasserabscheiders abgeschiedene Wasser kann dann ebenfalls dem Wassertank zugeführt und dort gesammelt werden, so dass nur ein Wassertank erforderlich ist.
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Alternativ oder ergänzend kann der Wassertank der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem anodenseitig angeordneten Drainventil und/oder Purgeventil verbunden sein. Über das Drainventil kann Wasser in den Wassertank eingeleitet werden, das mit Hilfe eines anodenseitig angeordneten Wasserabscheiders zum Entfernern von Wasser aus einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems abgeschieden worden ist. Über das Purgeventil kann anodenseitig abgelassenes Anodengas in den Wassertank eingeleitet werden, das neben Wasserstoff und Stickstoff auch Wasser enthält. Sofern eine im Wassertank mit Hilfe einer Venturi-Düse erzeugte Sekundärströmung vorhanden ist, ist sichergestellt, dass der in den Wassertank eingeleitete Wasserstoff ausreichend verdünnt und auch wieder ausgeleitet wird. Auf diese Weise kann sich keine gefährliche Ansammlung von Wasserstoff im Wassertank bilden.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird darüber hinaus ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird aus der Brennstoffzelle austretende Luft einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zugeführt, so dass in der Luft enthaltenes Wasser abgeschieden und gesammelt wird. Bei dem Verfahren wird ferner das im Wassertank gesammelte Wasser zum Befeuchten von Luft verwendet, die der Brennstoffzelle über einen Zuluftpfad zugeführt wird.
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Mit Hilfe des Verfahrens kann die Wasserabscheidungsrate erhöht werden, da der über den Abluftpfad abgeführten feuchten Luft das Wasser entzogen wird, das üblicherweise mit der Abluft bzw. dem Abgas des Brennstoffzellensystems in die Umgebung abgelassen wird. Zugleich kann das Wasser einer Nutzung zugeführt werden, so dass mit Hilfe des Verfahrens die Effizienz des Systems gesteigert wird.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
- 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 umfasst einen Wasserabscheider 2 und einen Wassertank 3. Der Wassertank 3 ist unterhalb des Wasserabscheiders 2 angeordnet, so dass in dem Wasserabscheider 2 aus einem Gasstrom G abgeschiedenes Wasser schwerkraftgetrieben über einen Ablauf 4 in den Wassertank 3 gelangt. Der Gasstrom G gelangt in den Wasserabscheider 2 über einen seitlichen Gaseinlass 5 knapp oberhalb des Ablaufs 4. Im Wasserabscheider 2 wird der Gasstrom G umgelenkt und einem Gasauslass 6 am oberen Ende des Wasserabscheiders 2 zugeführt. Der Gasstrom G passiert dabei ein Element 7 in Form eines Gitters, an dem im Gasstrom G enthaltener Wasserdampf kondensieren kann. Das Kondensat tropft dann vom Element 7 über den Ablauf 4 in den Wassertank 3.
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Dem Gaseinlass 5 ist eine Venturi-Düse 8 vorgeschaltet, mit deren Hilfe eine Sekundärströmung im Wassertank 3 erzeugt werden kann. Denn eine Querschnittsverengung 9 der Venturi-Düse 8 ist über eine Steigleitung 10 mit dem Wassertank 3 verbunden, so dass Gas aus dem Wassertank 3 angesaugt und über die Venturi-Düse 8 dem Wasserabscheider 2 zugeführt wird. Auf diese Weise wird das im Wassertank 3 vorhandene Gas ausgetauscht und mit dem Gasstrom G abgeführt. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn - wie in der 1 beispielhaft dargestellt - der Wassertank 3 über einen Anschluss 14 mit einem Purgeventil 26 verbunden ist, so dass dem Wassertank 3 wasserstoffhaltiges Anodengas aus einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems 20 zugeführt wird (siehe 2). Denn auf diese Weise wird verhindert, dass sich der Wasserstoff im Wassertank 3 sammeln kann. Stattdessen wird er verdünnt und abgeführt. Über den Auslass 14 kann der Wassertank 3 - alternativ oder ergänzend - mit einem Drainventil 25 verbunden sein, über das ein anodenseitig angeordneter Wasserabscheider 38 entleert wird (siehe 2). In diesem Fall kann auch dieses Wasser im Wassertank 3 gesammelt und ggf. einer Nutzung zugeführt werden. Ein weiterer Anschluss 15 verbindet vorliegend den Wassertank 3 mit einem Wasserabscheider 24, der stromaufwärts einer Turbine 23 angeordnet ist (siehe 2), so dass auch dieses Wasser dem Wassertank 3 zugeführt wird.
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Zur Optimierung der Wasserabscheidung weist der dargestellte Wassertank 3 Einbauten 11 in Form von Rohren auf, die durch den Wassertank 3 führen und mit Umgebungsluft gefüllt sind. Ist diese kühler als das im Wassertank 3 vorhandene Gas, was in der Regel der Fall sein wird, kann an den Oberflächen der Einbauten 11 Wasserdampf kondensieren und nach unten tropfen.
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Der dargestellte Wassertank 3 weist ferner eine bodenseitig angeordnete Heizeinrichtung 12 auf, die ein Gefrieren von Wasser bei tiefen Außentemperaturen verhindern soll oder - falls Wasser bereits gefroren ist - ein schnelles Auftauen ermöglichen soll. Die Heizeinrichtung 11 ist daher im Bereich eines bodenseitigen Auslasses 39 angeordnet, über den Wasser aus dem Wassertank 3 entnommen werden kann beispielsweise mit Hilfe einer Pumpe 13 (siehe 2).
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Der 2 ist ein Brennstoffzellensystem 20 mit einer Brennstoffzelle 21 sowie einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zu entnehmen. Die Vorrichtung 1 ist dabei in einem Abluftpfad 22 angeordnet, über den aus der Brennstoffzelle 21 austretende feuchte Luft bzw. Abluft abgeführt wird. Die Luft bzw. Abluft wird zunächst einem Wasserabscheider 24 zugeführt, um eine Teil des enthaltenen Wassers zum Schutz einer nachfolgenden Turbine 23 zu entziehen. Nach der Turbine 23 gelangt die Luft bzw. Abluft in die Vorrichtung 1, so dass restliches enthaltenes Wasser entzogen und im Wassertank 3 gesammelt wird.
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Das im Wassertank 3 gesammelte Wasser wird bei dem dargestellten System zum Befeuchten von Luft genutzt, die der Brennstoffzelle 21 über einen Zuluftpfad 27 zugeführt wird. Zum Befeuchten wird eine Ventileinheit 29 verwendet, die stromabwärts eines Luftverdichters 28 in den Zuluftpfad 27 integriert ist. Die Ventileinheit 29 ist über eine Wasserleitung 30 mit der Pumpe 13 verbunden, die der Entnahme von Wasser aus dem Wassertank 3 der Vorrichtung 1 dient. Mit Hilfe der Ventileinheit 29 wird das Wasser beim Einbringen fein zerstäubt, so dass es in der zuvor verdichteten und dabei erwärmten Luft schnell verdampft. Beim Durchströmen einer in den Zuluftpfad 27 integrierten Mischstrecke 31 durchmischt sich das Wasser mit der Luft, so dass eine gute Feuchteverteilung erreicht wird. Über die Mischstrecke 31 gelangt die verdichtete und befeuchtete Luft zu einem ebenfalls in den Zuluftpfad 27 integrierten Wärmetauscher 32. Dieser dient der Temperierung der Luft bevor sie einer Kathode 33 der Brennstoffzelle 21 zugeführt wird.
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Um im Abstellfall den Eintritt von Luft in die Kathode 33 zu verhindern, ist im Zuluftpfad 27 ein Absperrventil 35 angeordnet. Ein weiteres Absperrventil 36 verhindert, dass Luft aus dem Abluftpfad 22 zurück in die Brennstoffzelle 21 gelangt. Darüber hinaus ist ein Bypassventil 37 zur Umgehung der Brennstoffzelle 21 vorgesehen, das in Offenstellung den Zuluftpfad 27 mit dem Abluftpfad 22 verbindet.
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Neben der Kathode 33 weist die Brennstoffzelle 21 eine Anode 34 auf, die im Betrieb des Systems über einen Anodenkreis (nicht dargestellt) mit Wasserstoff versorgt wird. In der 2 sind lediglich der anodenseitig angeordnete Wasserabscheider 38 einschließlich des Drainventils 25 sowie das Purgeventil 26 dargestellt, da hierüber eine Verbindung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit der Anodenseite des Systems herstellbar ist.
