DE10245660A1

DE10245660A1 - fuel cell plant

Info

Publication number: DE10245660A1
Application number: DE10245660A
Authority: DE
Inventors: Ian Faye; Frank Brenner; Hans Ruediger Weiss; Thanh Hung Nguyen-Schaefer; Rainer Saliger; Thomas Hebner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2003-08-28
Also published as: DE50310489D1

Abstract

Es wird eine Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelleneinheit, einer Umformeinheit zur Umformung von Stoffgemischen zu einem wasserstoffhaltigen Fluidstrom (1) und einer Trennvorrichtung (2, 3) zur Abtrennung wenigstens eines wasserstoffangereicherten Stoffstroms (H¶2¶) von einem Fluidreststrom (CO¶2¶, R) vorgeschlagen, mit der der Aufwand gegenüber dem Stand der Technik reduziert wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Trennvorrichtung (2, 3) als Massen-Trennvorrichtung (2, 3) zur Abtrennung unterschiedlicher Massen ausgebildet ist.The invention relates to a fuel cell system with a fuel cell unit, a forming unit for forming mixtures of substances into a hydrogen-containing fluid stream (1) and a separating device (2, 3) for separating at least one hydrogen-enriched material stream (H¶2¶) from a residual fluid stream (CO¶2¶, R) proposed, with which the effort is reduced compared to the prior art. This is achieved according to the invention in that the separating device (2, 3) is designed as a mass separating device (2, 3) for separating different masses.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelleneinheit und einer Umformeinheit zur Umformung von Stoffgemischen zu einem wasserstoffhaltigen Fluidstrom nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a fuel cell system with a Fuel cell unit and a forming unit for forming from substance mixtures to a hydrogen-containing fluid stream according to the preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Bislang werden bei Brennstoffzellenanlagen häufig insbesondere kohlenwasserstoffhaltige Stoffgemische mittels einer Reformation oder dergleichen zu einem wasserstoffhaltigen Fluidstrom bzw. Reformat umgewandelt. Der hierdurch erzeugte Wasserstoff wird in der Brennstoffzelleneinheit vor allem zu elektrischem Strom umgewandelt und dieser wiederum zum Antrieb von Elektromotoren oder zum Betrieb sonstiger elektrischer Verbraucher verwendet. Entsprechende Systeme werden beispielsweise in Fahrzeugen für den Antrieb und/oder zum Betrieb der zahlreichen elektrischen Verbraucher eingesetzt. So far, have been common in fuel cell systems in particular mixtures of hydrocarbonaceous substances a reformation or the like to one converted hydrogen-containing fluid stream or reformate. The Hydrogen generated in this way is used in the Fuel cell unit mainly for electric current converted and this in turn to drive Electric motors or to operate other electric Consumer used. Corresponding systems will for example in vehicles for the drive and / or Operation of numerous electrical consumers used.

Neben Wasserstoff entstehen bei diesen Systemen auch die Nebenprodukte Kohlenmonoxid bzw. Kohlendioxid. Kohlenmonoxid ist für heute gebräuchliche Brennstoffzelleneinheiten im Allgemeinen schädlich, so dass dieses mittels entsprechender Reinigungsvorrichtungen zu Kohlendioxid umgeformt wird. So weist der Fluidstrom, der der Brennstoffzelleneinheit zugeführt wird, einen vergleichsweise hohen Anteil an Kohlendioxid auf, das von der Brennstoffzelleneinheit nicht verwertet wird. In addition to hydrogen, these systems also produce By-products carbon monoxide or carbon dioxide. Carbon monoxide is common for today 's fuel cell units Generally harmful, so this by means of appropriate Cleaning devices is converted to carbon dioxide. So the fluid flow has that of the fuel cell unit is supplied, a comparatively high proportion Carbon dioxide that is not from the fuel cell unit is used.

Gebräuchliche Brennstoffzelleneinheiten können den im Fluidstrom enthaltenen Wasserstoff nicht vollständig umsetzen, so dass der Abstrom der Brennstoffzelleneinheit einen gewissen Anteil an Wasserstoff aufweist. Einer Kreislaufführung bzw. Rezirkulation dieses Abstroms wieder zurück in die Brennstoffzelleneinheit steht der vergleichsweise hohe Kohlendioxidanteil entgegen, da dieser innerhalb kurzer Zeit stark ansteigen und hierdurch den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit bzw. die Stromerzeugung stark beeinträchtigen würde. Common fuel cell units can in Fluid flow does not contain hydrogen completely implement so that the outflow of the fuel cell unit has a certain proportion of hydrogen. one Circulation or recirculation of this outflow again is back in the fuel cell unit comparatively high proportion of carbon dioxide because of this rise sharply within a short time and thereby the Operation of the fuel cell unit or power generation would seriously affect.

Gemäß der Druckschrift US 6,063,515 ist bereits die Verwendung eines Separators bzw. einer Trennvorrichtung bekannt, mit Hilfe derer das Kohlendioxid bzw. der Wasserstoff vom Reststrom abgetrennt wird. Hierdurch ist eine Kreislaufführung des aus der Brennstoffzelleneinheit ausströmenden Abstromes möglich. Diese bereits bekannte Trennvorrichtung bzw. Separatoreinheit weist unter anderem eine Membran auf. Nachteilig hierbei ist der vergleichsweise große verfahrenstechnische bzw. konstruktive Aufwand als auch der notwendige relativ hohe Druck zur Beaufschlagung der Membran. According to US Pat. No. 6,063,515, the Use of a separator or a separator known, with the help of which the carbon dioxide or Hydrogen is separated from the residual stream. This is one Recycling of the fuel cell unit outflowing outflow possible. This already known Separating device or separator unit has, among other things a membrane. The disadvantage here is the comparative great procedural or design effort as well the necessary relatively high pressure to act on the Membrane.

Aufgabe und Vorteile der ErfindungObject and advantages of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelleneinheit, einer Umformeinheit zur Umformung von Stoffgemischen zu einem wasserstoffhaltigen Fluidstrom und einer Trennvorrichtung zur Abtrennung wenigstens eines wasserstoffangereicherten Stoffstroms von einem Fluidreststrom vorzuschlagen, mit der der Aufwand gegenüber dem Stand der Technik reduziert wird. In contrast, the object of the invention is a Fuel cell system with a fuel cell unit, a forming unit for forming mixtures into one hydrogen-containing fluid stream and a separator for Separation of at least one hydrogen-enriched Propose material flow from a residual fluid flow with which the effort compared to the prior art is reduced.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Brennstoffzellenanlage der einleitend genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. This task is based on a Fuel cell system of the type mentioned in the introduction, by the characterizing features of claim 1 solved.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich. By the measures mentioned in the subclaims advantageous embodiments and developments of the invention possible.

Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanlage dadurch aus, dass die Trennvorrichtung als Massentrennvorrichtung zur Abtrennung unterschiedlicher Massen ausgebildet ist. Accordingly, one according to the invention is distinguished Fuel cell system characterized in that the separating device as a mass separation device for separating different ones Masses is formed.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Massentrennvorrichtung ist eine Abtrennung des bezüglich der Masse relativ leichten, wasserstoffhaltigen Stoffstroms vom bezüglich der Masse relativ schweren Fluidreststrom, insbesondere CO₂-haltigen Fluidreststrom, ohne großen Aufwand gewährleistet. Möglicherweise erfolgt wenigstens teilweise die Trennung der Ströme mit Hilfe der Schwerkraft oder dergleichen. Beispielsweise kann die Erzeugung einer vergleichsweise hohen Druckbeaufschlagung des Fluidstroms gemäß dem Stand der Technik entfallen. With the aid of the mass separation device according to the invention, a separation of the relatively light, hydrogen-containing material flow with respect to the mass from the fluid residual flow, which is relatively heavy with respect to the mass, in particular CO ₂ -containing fluid flow, is ensured without great effort. The currents may at least partially be separated using gravity or the like. For example, the generation of a comparatively high pressurization of the fluid flow according to the prior art can be dispensed with.

Vorzugsweise weist die Massentrennvorrichtung wenigstens ein Umlenkelement zum Umlenken des Fluidstroms auf. Der Fluidstrom weist in vorteilhafter Weise eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit auf. Hierdurch wird eine radiale Beschleunigung des Fluidstroms bzw. Reformats erreicht, wodurch eine Trennung aufgrund der unterschiedlich schweren molekularen Gewichte und der hieraus resultierenden unterschiedlichen Zentrifugalkräfte erfolgen kann. The mass separation device preferably has at least one Deflection element for deflecting the fluid flow. The Fluid flow advantageously has a relatively high one Flow rate on. This creates a radial Acceleration of the fluid flow or reformate achieved, causing a separation due to the different levels molecular weights and the resulting different centrifugal forces can take place.

Gegebenenfalls ist die Massentrennvorrichtung mit dem Umlenkelement in Strömungsrichtung hinter der Brennstoffzelleneinheit angeordnet. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Massentrennvorrichtung mit dem Umlenkelement zwischen der Umformeinheit und der Brennstoffzelleneinheit bzw. in Strömungsrichtung hinter einer sogenannten "Shift- Stufe" oder dergleichen angeordnet, da der Fluidstrom in diesem Bereich eine vergleichsweise hohe und im Wesentlichen kontinuierliche Strömungsgeschwindigkeit aufweist. If necessary, the mass separation device with the Deflection element in the flow direction behind the Fuel cell unit arranged. Preferably the Mass separation device according to the invention with the deflecting element between the forming unit and the fuel cell unit or in the flow direction behind a so-called "shift Stage "or the like because the fluid flow in this area a comparatively high and essentially has continuous flow velocity.

In vorteilhafter Weise ist das Umlenkelement als Kreisbogenelement ausgebildet. Ein entsprechend ausgebildetes rohrförmiges Kreisbogenelement kann einen vorteilhaften Krümmungsradius zur Zentrifugalbeschleunigung des Fluidstroms aufweisen. The deflecting element is advantageously used as Circular arc element formed. An appropriately trained tubular circular arc element can be an advantageous one Radius of curvature for centrifugal acceleration of the fluid flow exhibit.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung weist die Massentrennvorrichtung wenigstens ein Verzögerungselement zum Verzögern der Strömungsgeschwindigkeit auf. Vorzugsweise ist das Verzögerungselement in Strömungsrichtung hinter dem Umlenkelement angeordnet. Mit Hilfe dieser Maßnahmen wird ermöglicht, dass eine gegebenenfalls mittels des Umlenkelementes erreichte Teiltrennung der Ströme durch das Verzögerungselement weiter verbessert wird. In a special development of the invention, the Mass separation device for at least one delay element Decelerate the flow rate. Preferably the delay element in the flow direction behind the Deflection element arranged. With the help of these measures enables a possibly by means of the Deflection element achieved partial separation of the currents through the Delay element is further improved.

Das Verzögerungselement weist in bevorzugter Weise einen wesentlich größeren Strömungsquerschnitt als das Umlenkelement auf, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit des Fluidstroms bzw. Stoffstroms/Fluidreststroms gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit im Umlenkelement wesentlich verringert. Hierdurch wird in besonders einfacher Weise eine Beruhigung bzw. Verzögerung der Strömungsgeschwindigkeit erreicht. Eine entsprechende Verzögerung bzw. Beruhigung der Ströme verbessert zusätzlich die Trennung des wasserstoffhaltigen Stoffstroms vom Fluidreststrom. The delay element preferably has one much larger flow area than that Deflection element on, causing the flow rate of the fluid flow or material flow / fluid residual flow the flow velocity in the deflection element essential reduced. This is a particularly simple Calming or delaying the flow rate reached. A corresponding delay or reassurance of Currents also improves the separation of the hydrogen-containing material flow from the residual fluid flow.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann das Verzögerungselement auch ohne ein spezielles Umlenkelement, d. h. ohne Massentrennung mittels der Zentrifugalkraft, verwendet werden. In an alternative embodiment of the invention, the Delay element even without a special deflection element, d. H. without mass separation by means of centrifugal force, be used.

Gegebenenfalls ist die Massentrennvorrichtung auch ohne dem speziellen Umlenkelement in Strömungsrichtung vor der Brennstoffzelleneinheit angeordnet. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Massentrennvorrichtung ohne dem speziellen Umlenkelement in Strömungsrichtung hinter der Brennstoffzelleneinheit angeordnet, da der Fluidstrom in diesem Bereich relativ einfach mittels dem Verzögerungselement beruhigt werden kann, so dass das Verzögerungselement ganz besonders weitgehend als Beruhigungselement auszubilden ist. Hierdurch weist der zu trennende Fluidstrom eine vergleichsweise geringe Strömungsgeschwindigkeit auf und/oder kann in vorteilhafter Weise mit Hilfe dem Verzögerungselement gestaut bzw. zwischengespeichert werden. Im letztgenannten Fall kann eine vorteilhafte diskontinuierliche bzw. chargenweise Trennung des Stoffstroms vom Fluidreststrom bzw. Entleerung des Verzögerungselements vorgesehen werden. If necessary, the mass separation device is also without the special deflecting element in the direction of flow in front of the Fuel cell unit arranged. Preferably the Mass separation device according to the invention without the special Deflection element in the flow direction behind the Fuel cell unit arranged because the fluid flow in this area relatively easily using the Delay element can be reassured, so that Delay element very particularly largely as Training calming element is. This assigns the separating fluid flow a comparatively low Flow rate on and / or can be more advantageous Way jammed with the help of the delay element or be cached. In the latter case, a advantageous discontinuous or batch separation the material flow from the residual fluid flow or emptying the Delay element are provided.

Gerade mit Hilfe der hinter der Brennstoffzelleneinheit angeordneten Variante der Erfindung kann insbesondere auch der mittels der Umgebungsluft in die Brennstoffzelleneinheit eingebrachte und durch deren Membran hindurchdiffundierte Stickstoff vom wasserstoffhaltigen Stoffstrom getrennt werden. Die Weiterverwertung bzw. Kreislaufführung des wasserstoffhaltigen Stoffstroms wird hierdurch wesentlich verbessert. Especially with the help of the behind the fuel cell unit arranged variant of the invention can in particular also of the ambient air into the fuel cell unit introduced and diffused through the membrane Nitrogen separated from the hydrogen-containing material flow become. The recycling or recycling of the This makes hydrogen-containing material flow essential improved.

In einer weiteren besonderen Variante der Erfindung weist das Verzögerungselement eine erste Öffnung zum Ausströmen des wasserstoffangereicherten Stoffstroms und eine zweite Öffnung zum Ausströmen des Fluidreststroms auf, wobei vorteilhafterweise die erste Öffnung in vertikaler Richtung oberhalb der zweiten Öffnung angeordnet ist. In vorteilhafter Weise ist die zweite Öffnung am in vertikaler Richtung tiefsten Bereich des Verzögerungselementes und/oder die erste Öffnung am in vertikaler Richtung höchsten Bereich des Verzögerungselementes angeordnet. Mit Hilfe einer entsprechend angeordneten Art und Weise der Öffnungen bzw. einem entsprechend ausgebildeten Verzögerungselement kann unter Zuhilfenahme der Schwerkraft bzw. Erdbeschleunigung eine zusätzliche Abtrennung des wasserstoffangereicherten Stoffstroms von dem Fluidreststrom bzw. Restgasstrom wie z. B. vom Kohlendioxid- und/oder Stickstoffstrom erfolgen. In a further special variant of the invention, this Delay element has a first opening for the outflow of the hydrogen-enriched stream and a second opening for outflow of the residual fluid stream, wherein advantageously the first opening in the vertical direction is arranged above the second opening. In advantageous The second opening is in the vertical direction deepest area of the delay element and / or the first Opening at the highest area of the Arranged delay element. With the help of a appropriately arranged type of openings or a correspondingly designed delay element with the help of gravity or gravitational acceleration an additional separation of the hydrogen-enriched Material flow from the residual fluid stream or residual gas stream such. B. from the carbon dioxide and / or nitrogen flow.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens an einer der Öffnungen, vorzugsweise an der zweiten Öffnung zum Ausströmen des Fluidreststroms und gegebenenfalls an der ersten Öffnung zum Ausströmen des wasserstoffhaltigen Stoffstroms, je ein Dosierelement angeordnet. Hierdurch wird eine Abführung des Fluidreststroms bzw. Stoffstroms ohne großen Aufwand regelbar. In a particular embodiment of the invention at least at one of the openings, preferably at the second opening for the outflow of the residual fluid stream and optionally at the first opening for the outflow of the hydrogen-containing material flow, one metering element each arranged. This leads to a discharge of the residual fluid flow or material flow can be regulated with little effort.

Für bestimmte Anwendungsfälle, insbesondere bei der Anordnung des Massentrennvorrichtung in Strömungsrichtung hinter der Brennstoffzelleneinheit, ist wenigstens eines der Dosierelemente als Taktventil oder dergleichen ausgebildet. Hiermit wird eine besonders einfache Umsetzung einer diskontinuierlichen bzw. chargenweisen Betriebsweise der Massentrennvorrichtung ermöglicht. Während einer Wartephase kann sich der relativ leichte, wasserstoffhaltige Anteil vom schwereren Rest weitgehend trennen. Diese können nach der Wartephase vorteilhaft getrennt aus dem Verzögerungselement herausströmen bzw. abgelassen und/oder mittels einer Pumpe oder dergleichen entsprechend herausgepumpt werden. Beispielsweise kann die Wartezeit ca. fünf bis zwanzig Minuten oder länger dauern. For certain applications, especially in the arrangement of the mass separation device in the flow direction behind the Fuel cell unit, is at least one of the Dosing elements designed as a clock valve or the like. This makes a particularly simple implementation of a discontinuous or batch mode of operation of the Mass separation device allows. During a waiting period can the relatively light, hydrogen-containing portion of separate heavier rest largely. After the Waiting phase advantageously separated from the delay element flow out or drain and / or by means of a pump or the like are pumped out accordingly. For example, the waiting time can be about five to twenty Take minutes or longer.

Vorteilhafterweise ist an einer Einströmöffnung des Verzögerungselements wenigstens ein Einströmelement und/oder an der ersten und/oder zweiten Öffnung wenigstens ein Ausströmelement angeordnet, wobei diese vorzugsweise wenigstens teilweise im Innenbereich des Verzögerungselementes angeordnet sind. Mit Hilfe entsprechender Ein- bzw. Ausströmelemente kann die Position des Einströmbereiches und/oder die Position der Ausströmbereiche im gesamten Innenraum des Verzögerungselementes genau festgelegt werden. Beispielsweise wird mittels dem Einströmelement der Einströmbereich des Fluidstromes im unteren Abschnitt des Verzögerungselementes angeordnet, so dass eine Verwirbelung bzw. Durchmischung des im oberen Abschnitt angereicherten wasserstoffhaltigen Anteils wirkungsvoll verhindert wird. Alternativ oder in Kombination hierzu kann die Einströmöffnung des Verzögerungselementes im unteren Abschnitt angeordnet werden. Advantageously, at an inflow opening Delay element at least one inflow element and / or at least one at the first and / or second opening Outflow element arranged, these preferably at least partially in the interior of the Delay element are arranged. With help corresponding inflow or outflow elements, the position of the inflow area and / or the position of the Outflow areas in the entire interior of the Delay element can be set precisely. For example the inflow area of the Fluid flow in the lower section of the delay element arranged so that a swirling or mixing of the hydrogenated enriched in the upper section Proportionally prevented. Alternatively or in In combination, the inflow opening of the Delay element can be arranged in the lower section.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung weist das Einströmelement und/oder das Ausströmelement mehrere Durchlässe zum Ein- bzw. Ausströmen der Ströme auf. Mehrere bzw. zahlreiche Durchlässe, durch die die Fluide ein- bzw. ausströmen, vergrößern in vorteilhafter Weise die Querschnittsfläche der Ein- bzw. Ausströmöffnung und bewirken ein vergleichsweise geringes Verwirbeln der Ströme, so dass eine vorteilhafte Massentrennung gemäß der Erfindung realisierbar ist. Beispielsweise umfassen die Einström- bzw. Ausströmelemente ein poröses Material. Gegebenenfalls wird das poröse Material mittels einem Schaumstoff und/oder Sintermaterial, usw. realisiert. Gegebenenfalls werden die Durchlässe als relativ kleine Durchgangsbohrungen verwirklicht, z. B. mit Durchmessern von einigen 100 µm. In a special development of the invention, this Inflow element and / or the outflow element several Passages for the inflow or outflow of the flows. Several or numerous passages through which the fluids enter or leave flow out, advantageously enlarge the Cross-sectional area of the inflow or outflow opening and effect a comparatively slight swirling of the currents, so that an advantageous mass separation according to the invention is feasible. For example, the inflow or Outflow elements a porous material. If necessary the porous material by means of a foam and / or Sintered material, etc. realized. If necessary, the Passages as relatively small through holes realized z. B. with diameters of a few 100 microns.

Mit Hilfe einer oder mehrerer der vorgenannten Maßnahmen ist eine vorteilhafte Abreicherung vor allem der Restgase wie z. B. des Kohlendioxids, Stickstoffs, Stickoxiden, usw. vom Fluidreststrom bzw. Reformatstrom möglich, so dass in diesem Fall der wasserstoffangereicherte Stoffstrom der Brennstoffzelleneinheit zugeführt und nach Durchströmen der Brennstoffzelleneinheit zur weiteren Ausnutzung des nicht umgesetzten Wasserstoffs dieser Abstrom der Brennstoffzelleneinheit wieder erneut zugeführt werden kann. Hierdurch wird eine nachteilige Anreicherung von Kohlendioxid oder dergleichen bzw. anderen in der Brennstoffzelle nicht umgesetzten Gasen im reziklierten Stoffstrom verhindert. With the help of one or more of the above measures an advantageous depletion especially of residual gases such as z. B. of carbon dioxide, nitrogen, nitrogen oxides, etc. from Residual fluid flow or reformate flow possible, so that in this Case of the hydrogen-enriched material flow Fuel cell unit supplied and after flowing through the Fuel cell unit for further exploitation of the converted hydrogen this outflow of Fuel cell unit can be fed again. This will result in a disadvantageous accumulation of carbon dioxide or the like or others not in the fuel cell converted gases in the recycled material flow prevented.

embodiment

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert. An embodiment of the invention is in the drawing shown and will be explained in more detail below with reference to the figures explained.

Im Einzelnen zeigen: Show in detail:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Trennvorrichtung mit einem Kreisbogen, Fig. 1 shows a schematic representation of a separation device according to the invention with a circular arc,

Fig. 2 in schematischer Darstellung eine weitere erfindungsgemäße Trennvorrichtung, Fig. 2 is a schematic illustration of a further separating device according to the invention,

Fig. 3 in schematischer Darstellung eine dritte erfindungsgemäße Trennvorrichtung mit Strömungspuffer und Fig. 3 shows a schematic representation of a third separation device according to the invention with flow buffer and

Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild mit Varianten bevorzugter Anordnungen der erfindungsgemäßen Trennvorrichtungen. Fig. 4 is a schematic block diagram with variants of preferred arrangements of the separation devices according to the invention.

In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Trennvorrichtung aufgeführt. Dieser wird ein wasserstoffhaltiger Fluidstrom 1 bzw. Reformat zugeführt, der insbesondere Kohlendioxid CO₂ und Wasserstoff H₂ umfasst. Der Fluidstrom 1 wird mittels einem gebogenen Rohr 2 umgelenkt bzw. mit einer radialen Bescheunigung beaufschlagt, so dass eine gewisse Trennung des Wasserstoffs H₂ vom Kohlendioxid CO₂ und Restgasen R erfolgt. In Fig. 1 a schematic representation of a separation device according to the invention is shown. This is supplied with a hydrogen-containing fluid stream 1 or reformate, which in particular comprises carbon dioxide CO ₂ and hydrogen H ₂ . The fluid stream 1 is deflected by means of a bent tube 2 or subjected to radial acceleration, so that the hydrogen H _{2 is} separated from the carbon dioxide CO ₂ and residual gases R to a certain extent.

In Strömungsrichtung hinter dem Rohr 2 ist ein Verzögerungselement 3 angeordnet, wobei sich aufgrund des vergleichsweise großen Querschnittes der wenigstens teilweise getrennte Fluidstrom 1 beruhigt und unter Zuhilfenahme der Erdbeschleunigung a_G als auch der durch das Rohr 2 erzeugten unterschiedlichen Kurvenradien der verschiedenen Teilströme eine Abtrennung bzw. Absaugung des Wasserstoffs H₂ von den Restgassen R wie z. B. vom Kohlendioxid CO₂ erreichbar ist. Die Restgase R bzw. das Kohlendioxid CO₂ werden mit Hilfe eines Überdruckventils 4 aus dem Behälter bzw. Verzögerungselement 3 abgelassen. Der Wasserstoffstrom H₂ wird in nicht näher dargestellter Weise einer Bremsstoffzelleneinheit zugeführt. A delay element 3 is arranged in the flow direction behind the pipe 2 , the fluid flow 1 which is at least partially separated calms down due to the comparatively large cross-section and, with the aid of the acceleration due to gravity a _G as well as the different curve radii of the different partial flows generated by the pipe 2 , Extraction of the hydrogen H ₂ from the residual streets R such. B. can be reached from carbon dioxide CO ₂ . The residual gases R and the carbon dioxide CO ₂ are discharged from the container or delay element 3 with the aid of a pressure relief valve 4 . The hydrogen stream H ₂ is fed to a brake cell unit in a manner not shown.

Mit Hilfe einer Trennvorrichtung gemäß der Erfindung wird der Fluidstrom 1 aufgrund der unterschiedlichen molekularen Gewichte des Wasserstoffs H₂ und der Restgase R bzw. des Kohlendioxids CO₂ abgetrennt. Das gekrümmte Rohr 2 führt zu einer radialen Beschleunigung des Fluidstroms 1 bzw. Reformatgases und fördert die Abtrennung. Hierdurch wird eine Abreicherung der Restgase R bzw. des Kohlendioxids CO₂ vom Fluidstrom 1 erreicht. Hiermit wird eine Rezirkulation des der Brennstoffzelleneinheit zugeführten Stoffstromes H₂ möglich, wodurch in vorteilhafter Weise die Ausnützung des im Fluidstrom 1 enthaltenen Wasserstoffs H₂ verbessert wird. With the aid of a separating device according to the invention, the fluid stream 1 is separated on the basis of the different molecular weights of the hydrogen H ₂ and the residual gases R or the carbon dioxide CO ₂ . The curved tube 2 leads to a radial acceleration of the fluid flow 1 or reformate gas and promotes the separation. As a result, the residual gases R and the carbon dioxide CO ₂ are depleted from the fluid stream 1 . This enables a recirculation of the material stream H ₂ supplied to the fuel cell unit, which advantageously improves the utilization of the hydrogen H ₂ contained in the fluid stream 1 .

Die Trennvorrichtung gemäß Fig. 1 mit dem gebogenen Rohr 2wird in bevorzugter Weise in der Strömungsrichtung vor einer Brennstoffzelle angeordnet, da an dieser Stelle im System vergleichsweise hohe Strömungsgeschwindigkeiten vorhanden sind, so dass besonders große Zentrifugalkräfte im Rohr 2 eine Trennung des vergleichsweise leichten Wasserstoffs H₂ vom relativ schweren Restgas R gewährleisten. The separating device according to FIG. 1 with the bent pipe 2 is preferably arranged in the flow direction in front of a fuel cell, since at this point in the system there are comparatively high flow velocities, so that particularly large centrifugal forces in the pipe 2 separate the comparatively light hydrogen H Ensure _{2 of} the relatively heavy residual gas R.

In Fig. 2 ist eine Trennvorrichtung gemäß der Erfindung in Strömungsrichtung hinter einer Brennstoffzelle 5 angeordnet. Die Brennstoffzelle 5 wird mit Luft 6 und einem wasserstoffreichen Fluidstrom 7 bzw. einem Reformat 7 eines nicht näher dargestellten Reformers versorgt. In nicht näher dargestellter Weise können zwischen der Brennstoffzelle 5 und dem nicht näher dargestellten Reformer Reinigungsvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik vorgesehen werden. In FIG. 2, a separating device is arranged according to the invention in the flow direction behind a fuel cell 5. The fuel cell 5 is supplied with air 6 and a hydrogen-rich fluid stream 7 or a reformate 7 of a reformer, not shown in detail. In a manner not shown, cleaning devices according to the prior art can be provided between the fuel cell 5 and the reformer, not shown.

Aus der Brennstoffzelle 5 strömt katodenseitig ein insbesondere wasserhaltiger Strom 8 sowie der Fluidstrom 1 heraus. Der Fluidstrom 1 wird gemäß der Erfindung mittels dem Verzögerungselement 3 bzw. Beruhigungselement 3 in einen Wasserstoffstrom H₂ und einen Restgasstrom R getrennt. A particularly water-containing stream 8 and the fluid stream 1 flow out of the fuel cell 5 on the cathode side. According to the invention, the fluid stream 1 is separated into a hydrogen stream H ₂ and a residual gas stream R by means of the delay element 3 or calming element 3 .

Zwischen dem Verzögerungselement 3 und der Brennstoffzelle 5 ist eine Leitung 9 angeordnet. Die Leitung 9 endet vorzugsweise im unteren Bereich des Verzögerungselementes 3 bzw. ragt entsprechend in dieses hinein, so dass sich ein Einströmbereich 10 in der Nähe des Behälterbodens befindet. Aufgrund der großen Unterschiede der Molekülmassen bzw. des großen Dichteunterschiedes zwischen Wasserstoff H₂ und den Restgasen R, sinken die Restgase R ab und der Wasserstoff H₂ "schwimmt" im oberen Abschnitt des Behälters bzw. Verzögerungselementes 3. A line 9 is arranged between the delay element 3 and the fuel cell 5 . The line 9 preferably ends in the lower region of the delay element 3 or projects accordingly into it, so that an inflow region 10 is located in the vicinity of the container bottom. Because of the large differences in the molecular masses or the large difference in density between hydrogen H ₂ and the residual gases R, the residual gases R decrease and the hydrogen H ₂ "floats" in the upper section of the container or delay element 3 .

Bei den Ventilen 4 in Fig. 2 handelt es sich vorzugsweise um Taktventile 4, die beispielsweise nach einer Wartezeit von ca. 20 Minuten betätigt bzw. geöffnet werden. Hierdurch strömt durch eine Leitung 11 Wasserstoff H₂ in einen nicht näher dargestellten Sammelbehälter bzw. in bestimmten Fällen zurück zur Brennstoffzelle 5. Eine Ausströmöffnung 13 befindet sich an der höchsten Stelle des Behälters 3, so dass nahezu reiner Wasserstoff H₂ aus dem Behälter 3 mittels der Leitung 11 entnommen und vorzugsweise in die Anode der Brennstoffzelle 5 zurückgeführt wird. The valves 4 in FIG. 2 are preferably clock valves 4 , which are actuated or opened, for example, after a waiting time of approximately 20 minutes. As a result, hydrogen H ₂ flows through a line 11 into a collecting tank (not shown) or, in certain cases, back to the fuel cell 5 . An outflow opening 13 is located at the highest point of the container 3 , so that almost pure hydrogen H _{2 is} removed from the container 3 by means of the line 11 and is preferably returned to the anode of the fuel cell 5 .

Zum Ablassen der Restgase R in die Atmosphäre wird das Taktventil 4 einer Leitung 12 geöffnet. Eine Ausströmöffnung 14 ist insbesondere an der tiefsten Stelle des Behälters 3 vorgesehen, wodurch die Restgase R in die Leitung 12 strömen. To release the residual gases R into the atmosphere, the clock valve 4 of a line 12 is opened. An outflow opening 14 is provided in particular at the lowest point of the container 3 , as a result of which the residual gases R flow into the line 12 .

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Im Unterschied zum Verzögerungselement 3 der Fig. 2 weist das Verzögerungselement 3 bzw. der Behälter 3 in Fig. 3 eine Einströmleitung 9 für den Fluidstrom 1 sowie eine Ausströmleitung 11 zum Ablassen von nahezu reinem Wasserstoff H₂ auf, wobei die beiden Leitungen 9, 11 mehrere kleine Durchlässe 10, 19 aufweisen. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise die Durchlassfläche für einströmendes bzw. ausströmendes Gas 1, H₂ deutlich vergrößert, so dass eine Verwirbelung in dem Verzögerungselement 3 wirkungsvoll verhindert wird. Diese Maßnahme führt zu einer besonders vorteilhaften Trennung gemäß der Erfindung. Gegebenenfalls kann die Ausströmöffnung 14 nicht näher dargestellte, kleine Durchlässe aufweisen, die den Durchlässen 10, 19 weitgehend entsprechen. A further embodiment of the invention is shown schematically in FIG. 3. In contrast to the delay element 3 of FIG. 2, the delay element 3 or the container 3 in FIG. 3 has an inflow line 9 for the fluid flow 1 and an outflow line 11 for discharging virtually pure hydrogen H ₂ , the two lines 9 , 11 have several small passages 10 , 19 . As a result, the passage area for inflowing or outflowing gas 1 , H _{2 is} significantly increased, so that swirling in the delay element 3 is effectively prevented. This measure leads to a particularly advantageous separation according to the invention. Optionally, the outflow opening 14 can have small passages, not shown in any more detail, which largely correspond to the passages 10 , 19 .

In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild einer Brennstoffzellenanlage mit einer Massentrennvorrichtung 15, 16 gemäß der Erfindung dargestellt. Beispielhaft umfasst die Brennstoffzellenanlage einen Reformer 17 und gegebenenfalls eine in Strömungsrichtung dahinter angeordnete Shift- Einheit 18, die zur Reinigung des mittels dem Reformer 17 erzeugten Reformats vorgesehen ist und z. B. mehrere Reinigungsstufen aufweist. In FIG. 4 is a block diagram of a fuel cell system with a mass separation device 15, 16 is illustrated in accordance with the invention. By way of example, the fuel cell system comprises a reformer 17 and, if appropriate, a shift unit 18 arranged downstream in the flow direction, which is provided for cleaning the reformate produced by means of the reformer 17 . B. has several cleaning stages.

In Strömungsrichtung hinter dem Reformer 17 ist optional die Massentrennvorrichtung 15 bzw. der Trenner 15 angeordnet. Der Trenner 15 entspricht im Wesentlichen der Vorrichtung gemäß Fig. 1, d. h. der Trenner 15 weist insbesondere ein Rohr 2 auf. The mass separation device 15 or the separator 15 is optionally arranged in the flow direction behind the reformer 17 . The separator 15 essentially corresponds to the device according to FIG. 1, ie the separator 15 has in particular a tube 2 .

In Strömungsrichtung hinter dem Trenner 15 ist die Brennstoffzelle 5 angeordnet, die somit vergleichsweise reinen Wasserstoff H₂ sowie Luft 6 erhält. The fuel cell 5 is arranged in the flow direction behind the separator 15 and thus receives comparatively pure hydrogen H ₂ and air 6 .

In der Brennstoffzelle 5 werden aus den Eduktströmen kathodenseitig der wasserdampfhaltige Strom 8 sowie anodenseitig der Fluidstrom 1. Der Trenner 16 ist optional vorzusehen. Der Wasserstoffstrom H₂ des Trenners 16 wird vorzugsweise als Eduktstrom der Brennstoffzelle 5 weiter verwertet. Gegebenenfalls kann der Wasserstoffstrom H₂ des Trenners 16 auch für andere Verwendungszwecke vorgesehen werden. Der Trenner 16 entspricht im Wesentlichen der Massentrennvorrichtung gemäß Fig. 2 bzw. Fig. 3. Bezugszeichenliste 1 Fluidstrom
2 Rohr
3 Verzögerungselement
4 Ventil
5 Brennstoffzelle
6 Luft
7 Fluidstrom
8 Strom
9 Leitung
10 Einströmbereich
11 Leitung
12 Leitung
13 Ausströmöffnung
14 Ausströmöffnung
15 Trenner
16 Trenner
17 Reformer
18 Shift-Einheit
19 Durchlass
a_G Erdbeschleunigung
CO₂ ;Kohlendioxid
CO Kohlenmonoxid
H₂ ;Wasserstoff
N₂ Stickstoff
NO_X Stickoxid
R Restgas
In the fuel cell 5 , the educt streams become the steam-containing stream 8 on the cathode side and the fluid stream 1 on the anode side. The isolator 16 is optional. The hydrogen stream H _{2 of} the separator 16 is preferably further used as the educt stream of the fuel cell 5 . If necessary, the hydrogen stream H _{2 of} the separator 16 can also be provided for other purposes. The separator 16 substantially corresponds to the mass separation device shown in FIG. 2 or FIG. 3. Reference Signs List 1 fluid stream
2 pipe
3 delay element
4 valve
5 fuel cell
6 air
7 fluid flow
8 electricity
9 line
10 inflow area
11 line
12 line
13 outflow opening
14 outflow opening
15 separators
16 separators
17 reformers
18 shift unit
19 passage
a _G gravitational acceleration
CO ₂ ; carbon dioxide
CO carbon monoxide
H ₂ ; hydrogen
N ₂ nitrogen
NO _X nitrogen oxide
R residual gas

Claims

1. Fuel cell system with a fuel cell unit, a forming unit for forming mixtures of substances into a hydrogen-containing fluid stream ( 1 ) and a separating device ( 2 , 3 ) for separating at least one hydrogen-enriched material stream (H ₂ ) from a residual fluid stream (CO ₂ , R), characterized that the separating device ( 2 , 3 ) is designed as a mass separating device ( 2 , 3 ) for separating different masses.

2. Device according to claim 1, characterized in that the mass separation device ( 2 , 3 ) has at least one deflecting element ( 2 ) for deflecting the fluid flow ( 1 ).

3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the deflection element (2) is formed as a circular arc member (2).

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the mass separation device ( 2 , 3 ) has at least one delay element ( 3 ) for decelerating the flow rate.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a substantially larger flow cross-section is provided in the region of the delay element ( 3 ) than in the region of the deflection element ( 2 ).

6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the delay element ( 3 ) has a first opening ( 13 ) for outflowing the hydrogen-enriched stream (H ₂ ) and a second opening ( 14 ) for outflowing the residual fluid stream (CO ₂ , R) having.

7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first opening ( 13 ) is arranged in the vertical direction above the second opening ( 14 ).

8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the second opening ( 14 ) is arranged at the deepest region of the delay element ( 3 ) in the vertical direction.

9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a metering element ( 4 ) is arranged at least at one of the openings ( 13 , 14 ).

10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the metering element ( 4 ) is designed as a clock valve ( 4 ).

11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one inflow element ( 9 ) at an inflow opening of the delay element ( 3 ) and / or at least one outflow element ( 11 , 12 ) at the first and / or second opening ( 13 , 14 ) ) is arranged.

12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the inflow element ( 9 ) and / or the outflow element ( 11 , 12 ) are at least partially arranged in the inner region of the delay element ( 3 ).

13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the inflow element ( 9 ) and / or the outflow element ( 11 , 12 ) have a plurality of passages ( 10 , 19 ) for inflowing or outflowing the flows.