EP4268304A1 - Abgasmischeinheit für eine brennstoffzelle - Google Patents

Abgasmischeinheit für eine brennstoffzelle

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EP4268304A1
EP4268304A1 EP21839425.2A EP21839425A EP4268304A1 EP 4268304 A1 EP4268304 A1 EP 4268304A1 EP 21839425 A EP21839425 A EP 21839425A EP 4268304 A1 EP4268304 A1 EP 4268304A1
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EP
European Patent Office
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exhaust gas
buffer volume
line
cathode
mixing unit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP21839425.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dirk Wexel
Andre Mack-Gardner
Daniel Reuter
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Stellantis Auto SAS
Original Assignee
PSA Automobiles SA
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Filing date
Publication date
Application filed by PSA Automobiles SA filed Critical PSA Automobiles SA
Publication of EP4268304A1 publication Critical patent/EP4268304A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04179—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by purging or increasing flow or pressure of reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • DE 10 2014 103 724 A1 relates to a fuel cell device for providing electrical energy by converting fuel with an oxidizer, which enables reliable and safe operation. It is proposed therein that the fuel cell device comprises an anode side, via which fuel can be supplied to operate the fuel cell device, and an anode exhaust gas duct. Anode waste gas can be discharged from the anode side by means of the anode waste gas duct, the anode waste gas duct comprising a buffer container to which the anode waste gas can be fed for temporary storage and from which the anode waste gas can be discharged for dilution and/or disposal.
  • a device is to be specified which always emits only a small proportion of fuel in the exhaust gas during continuous operation of the fuel cell.
  • an exhaust gas mixing unit for a fuel cell, in particular for a fuel cell of a motor vehicle, having an anode exhaust gas line opening into a buffer volume and a cathode exhaust gas line penetrating the buffer volume, with the cathode exhaust gas line being connected to the buffer volume in a fluid-conducting manner in a section within the buffer volume, so that in an anode exhaust gas stream A is mixed with a cathode exhaust gas stream to form a mixed exhaust gas stream in the buffer volume.
  • the anode side is flushed at periodic intervals in order to remove inert gas and/or condensate.
  • exhaust gas from the anode side is mixed with exhaust gas from the cathode side mixed.
  • Exhaust gas from the anode side contains non-oxidized fuel that should not be released into the environment unfiltered or at least not undiluted.
  • Exhaust gas from the cathode side is largely inert.
  • the device according to the disclosure manages without additional valves, switches and sensors.
  • the buffer volume is designed in such a way that only additional passive components are used.
  • the exhaust gas mixing unit can be designed in such a way that a limit value for fuel in the exhaust gas cannot be exceeded at all operating points of the fuel cell.
  • the fluid-conducting connection between the buffer volume and the cathode exhaust gas line is formed via at least one opening in a wall of the cathode exhaust gas line.
  • the opening can be formed by a bore.
  • the bore in the wall may also vary in diameter along its length to create a throttling effect.
  • Anode exhaust gas enters the cathode exhaust gas stream through the openings. So that the loading or concentration of combustible anode exhaust gas in the cathode exhaust gas flow can be kept low, the openings are kept small, in particular so small that even with a completely filled buffer volume, at most so much anode exhaust gas gets into the cathode exhaust gas that a maximum concentration of 8 % and 4% respectively as the average value of the unoxidized fuel in the cathode exhaust stream.
  • the openings are arranged on the cathode exhaust gas line offset by an angle W9 with respect to a cathode line axis running centrally through the cathode exhaust gas line.
  • the anode exhaust gas flow can be mixed with the cathode exhaust gas flow in the direction of flow or against the flow direction. As a result, the inflow of the anode exhaust gas flow to the cathode exhaust gas flow can be supported or inhibited.
  • the fluid-conducting connection between the buffer volume and the cathode exhaust gas line is formed via a recess in the cathode exhaust gas line, the recess between a first line section of the Cathode exhaust pipe and a second line section of the cathode exhaust pipe is arranged.
  • the recess is accordingly a gap in the cathode exhaust line. Accordingly, an inflow of anode waste gas can be distributed uniformly over the circumference.
  • the recess can be interrupted by stabilizing webs between the first and second line sections A and B.
  • the buffer volume has a volume which is dimensioned such that the volume can accommodate a scavenging volume of exhaust gas from an anode side of a fuel cell, the scavenging volume corresponding to an amount of fuel which is used during a scavenging process Anode side is spent at least.
  • a flushing process is a regularly performed step in the operation of the fuel cell.
  • a volume that has to be flushed out of the fuel cell during a flushing process is referred to as flushing volume.
  • the scavenging volume can be 9 to 30 times as large as a line section of the cathode exhaust gas line that extends through the scavenging volume.
  • the buffer volume has a volume which is dimensioned so large that the buffer volume acts as a silencer and sound waves in the cathode exhaust gas flow are at least partially extinguished.
  • the buffer volume can also take on a dampening function in addition to mixing.
  • the buffer volume can be matched to a total area as the sum of the areas of the connection between the buffer volume and the cathode exhaust gas line.
  • a total area of the connection between the buffer volume and the cathode exhaust gas line is so large that even with a buffer volume filled with hydrogen, an anode exhaust gas maximum concentration of 8% or 4% is set as the average value of the non-oxidized fuel in the cathode exhaust gas flow.
  • the total area of the openings in the cathode exhaust pipe is defined by sections in the cathode exhaust pipe which are recessed or drilled out at these locations. The total area is determined in such a way that anode gas is successively sucked out of the buffer volume by the exhaust gas flow or overflows as a result of a pressure difference.
  • the exhaust gas mixing unit has a drain for has condensing liquids.
  • the drain can be formed by an opening in a housing of the exhaust gas mixing unit, with a drain line opening into the opening in a fluid-conducting manner.
  • a non-return valve can be arranged in the opening.
  • the anode exhaust gas line opens into the buffer volume in such a way that the anode exhaust gas stream and the cathode exhaust gas stream flow through the buffer volume in the same direction.
  • FIG. 1 schematically shows a fuel cell with a cathode exhaust gas line and an anode exhaust gas line, wherein an exhaust gas stream from the cathode exhaust gas line is mixed with an anode exhaust gas stream in an exhaust gas mixing unit;
  • Fuel cell units usually have several fuel cells, since they are connected in series in stacks. These each have the anode and cathode side shown schematically, as well as a membrane spatially separating them from one another. A supply of fuel to the anode side and a supply of oxygen or air to the cathode side can take place in a plurality of stacks at the same time.
  • FIGS. 2A, 2B and 2C show an exhaust gas mixing unit 20A, 20B, 20C for a fuel cell 10 corresponding to FIG. 1.
  • This is preferably a fuel cell 10 of a motor vehicle, not shown.
  • the fuel cell 10 has an anode side 1 and a cathode side 2 .
  • the fuel cell 10 has an anode exhaust gas line 13 opening into a buffer volume 11 and one penetrating the buffer volume 11 Cathode exhaust line 14 on.
  • the cathode exhaust gas line 14 is fluidly connected to the buffer volume 11 in a section within the buffer volume 11 so that in the buffer volume 11 an anode exhaust gas flow A13 mixes with cathode exhaust gas K14 to form a mixed exhaust gas flow M15.
  • the anode side is flushed at periodic intervals in order to remove inert gas and/or condensate.
  • the anode side 1 can be flushed, for example, by opening an outlet valve 6 for the hydrogen for about 1-2 s at a fixed admission pressure.
  • exhaust gas from the anode side 1 (anode exhaust gas stream A13) is then mixed with exhaust gas from the cathode side 2 (cathode exhaust gas stream K14).
  • Exhaust gas from the anode side 1 does not contain oxidized fuel, which should not reach the environment unfiltered or at least not undiluted.
  • Exhaust gas from the cathode side 2 is largely inert or contains at least a high proportion of inert fluids.
  • exhaust gas from the anode side 1 is successively mixed with the exhaust gas from the cathode side 2. As a result, a concentration of non-oxidized fuel can be reduced.
  • the exhaust gas mixing units 20A, 20B, 20C according to the disclosure can be used without additional valves, switches and sensors.
  • the buffer volume 11 is designed in such a way that only additional passive components are used, ie components that do not have to be controlled by any control and regulation devices.
  • the exhaust gas mixing unit 20A, 20B, 2C can be designed in such a way that at all operating points of the fuel cell 10 a limit value for fuel in the mixed exhaust gas stream M15 cannot be exceeded.
  • the fluid-conducting connection between the buffer volume 11 and the cathode exhaust line 14 is formed via at least one opening 9 in a wall 16 of the cathode exhaust line 14 .
  • the opening 9 can be formed by a bore, see FIGS. 2A and 2C.
  • the bore in the wall 16 may also vary in diameter along its length to create a throttling effect.
  • Anode waste gas passes through the openings 9 into the cathode waste gas flow K14.
  • the openings 9 kept small, in particular so small that even when the buffer volume 11 is completely filled, a maximum of eight percent of the anode exhaust gas A13 gets into the cathode exhaust gas K14.
  • an exhaust gas mixing unit 20A, 20C according to FIGS. 2A and 2C it is also provided that the openings 9 are arranged on the cathode exhaust gas line 14 offset by an angle W9 to a cathode line axis A14 running centrally through the cathode exhaust gas line 14 .
  • the anode exhaust gas stream can be mixed with the cathode exhaust gas stream K14 in the flow direction or counter to the flow direction.
  • the direction of flow corresponds to a direction of the cathode exhaust gas flow K14 or of the mixed exhaust gas flow M15.
  • the inflow of the anode exhaust gas flow A13 to the cathode exhaust gas flow K14 can be supported or inhibited.
  • the inflow of the anode exhaust gas stream to the cathode exhaust gas stream K14 is supported by using angles W9 of more than 90°.
  • the direction in which the anode exhaust gas then flows through the openings 9 already corresponds to the flow direction of the cathode exhaust gas stream K14.
  • the inflow of the anode exhaust gas stream A13 to the cathode exhaust gas stream K14 is inhibited by using angles W9 of less than 90°.
  • the direction in which the anode exhaust gas then flows through the openings 9 then does not correspond to the flow direction of the cathode exhaust gas stream K14.
  • the fluid-conducting connection between the buffer volume 11 and the cathode exhaust gas line 14 is formed via a recess 12 in the cathode exhaust gas line 14, the recess 12 between a first line section 14A of the cathode exhaust gas line 14 and a second line section 14B of the cathode exhaust pipe 14 is arranged.
  • the recess 12 is accordingly a gap in the cathode exhaust gas line 14. An inflow of anode exhaust gas can be distributed uniformly over the circumference. However, the recess 12 can be interrupted by stabilizing webs (not shown) between the first and second line sections 14A and 14B.
  • the buffer volume 11 has a volume V11, which is dimensioned so large that the volume V11 can accommodate a scavenging volume S1 of exhaust gas from an anode side 1 of a fuel cell 10, the scavenging volume S1 being a quantity of Fuel corresponds to which in a flushing process Anode side 1 is output at least.
  • a volume which has to be flushed out of the fuel cell 10 during a flushing process is referred to as flushing volume S1.
  • the buffer volume 11 has a volume V11 which is dimensioned so large that the buffer volume 11 acts as a silencer and sound waves in the cathode exhaust gas flow K14 are at least partially extinguished.
  • a diameter of the openings 9 can be varied in terms of their size and their distance from one another, so that in interaction with the buffer volume 11 tuning to the frequency ranges to be absorbed takes place.
  • the fuel cell 10 emits flow noise and vibrations.
  • the flow noise can be suppressed in the silencer.
  • the buffer volume 11 can take on additional functions in addition to mixing.
  • the volume V11 can be matched to a total area as the sum of the areas F9 and F12 of the connection between the buffer volume 11 and the cathode exhaust gas line 14.
  • a total area F9, F12 of the connection between the buffer volume 11 and the cathode exhaust gas line 14 is so large that even with a buffer volume 11 filled with hydrogen, a proportion of hydrogen in the Mixed exhaust gas flow M15 of eight percent is not exceeded. At most, so much anode exhaust gas gets into the cathode exhaust gas flow K14 that a maximum anode exhaust gas concentration of 4% to 8% is established in the mixed exhaust gas flow M14.
  • the total area F9, F12 of the openings 9, 12 in the cathode exhaust pipe 14 is defined by sections in the cathode exhaust pipe 14 which are recessed or drilled out at these locations. The total area F9, F12 is determined in such a way that anode gas is successively sucked out of the buffer volume 11 by the exhaust gas flow K14.
  • the exhaust gas mixing units 20A, 20B and 20C have an outlet 21 for condensing liquids.
  • the outlet 21 can be formed by an opening 22 in a housing of the exhaust gas mixing unit, with an outlet line 23 opening into the opening 22 in a fluid-conducting manner.
  • a non-return valve (not shown) can be arranged in the opening 22 .
  • the outlet 21 can also be fluidly connected to the cathode exhaust pipe 14 . It can be seen in FIGS. 2A, 2B and 2C that the opening 21 is provided on a surface of the buffer volume 11 that is geodetically located below.
  • the anode exhaust gas line 13 opens into the buffer volume 11 in such a way that the anode exhaust gas flow A13 and the cathode exhaust gas flow K14 flow in the same direction through the buffer volume 11, according to FIG. 2A.
  • anode exhaust gas line 13 opens into the buffer volume 11 in such a way that the inflowing anode exhaust gas stream A13 flows into the buffer volume 11 at a distance from the openings 9 or the recess 12 and must first flow into the buffer volume 11 counter to the cathode exhaust gas stream K14. before it can pass through the openings 9 or the recess 12.
  • This configuration is shown in Figures 2B and 2C.

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Abstract

Offenbart ist eine Abgasmischeinheit (20A, 20B, 20C) für eine Brennstoffzelle (10), insbesondere für eine Brennstoffzelle (10) eines Kraftfahrzeuges, aufweisend eine in ein Puffervolumen (11) mündende Anodenabgasleitung (13) und eine das Puffervolumen (11) durchdringende Kathodenabgasleitung (14), wobei die Kathodenabgasleitung (14) in einem Abschnitt innerhalb des Puffervolumens (11) fluidleitend mit dem Puffervolumen (11) verbunden ist, so dass sich in dem Puffervolumen (11) ein Anodenabgasstrom (A13) mit einem Kathodenabgasstrom (K14) zu einem Mischabgasstrom (M15) vermengt.

Description

Titel: ABGASMISCHEINHEIT FÜR EINE BRENNSTOFFZELLE
Technisches Gebiet
DE 10 2014 103 724 A1 bezieht sich auf eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie durch Umsetzung von Brennstoff mit einem Oxidator, welche einen zuverlässigen und sicheren Betrieb ermöglicht. Darin wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine Anodenseite, über welche zum Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung Brennstoff zuführbar ist, und eine Anodenabgasführung umfasst. Mittels der Anodenabgasführung ist Anodenabgas von der Anodenseite abführbar, wobei die Anodenabgasführung einen Pufferbehälter umfasst, zu welchem das Anodenabgas zur Zwischenspeicherung desselben zuführbar ist und aus welchem das Anodenabgas zur Verdünnung und/oder Entsorgung desselben abführbar ist.
Beschreibung
In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung soll eine Vorrichtung angegeben werden, welche bei kontinuierlichem Betrieb der Brennstoffzelle stets nur einen geringen Anteil an Brennstoff im Abgas ausstößt.
Die Nachteile werden durch den unabhängigen Anspruch abgestellt. Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Offenbarung aus. Die Unteransprüche können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Offenbarung zusätzlich.
Vorgesehen ist demgemäß eine Abgasmischeinheit für eine Brennstoffzelle, insbesondere für eine Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeuges, aufweisend eine in ein Puffervolumen mündende Anodenabgasleitung und eine das Puffervolumen durchdringende Kathodenabgasleitung, wobei die Kathodenabgasleitung in einem Abschnitt innerhalb des Puffervolumens fluidleitend mit dem Puffervolumen verbunden ist, so dass sich in dem Puffervolumen ein Anodenabgasstrom A mit einem Kathodenabgasstrom zu einem Mischabgasstrom vermengt.
In periodischen Abständen wird die Anodenseite gespült, um Inertgas und/oder Kondensat auszutragen. In der Abgasmischeinheit wird Abgas von der Anodenseite mit Abgas von der Kathodenseite gemischt. Abgas von der Anodenseite enthält nicht oxidierten Brennstoff, der nicht ungefiltert oder zumindest nicht unverdünnt an die Umgebung gelangen sollte. Abgas von der Kathodenseite ist weitestgehend inert. Indem in den offenbarungsgemäßen Abgasmischeinheiten Abgas von der Anodenseite sukzessive dem Abgas von der Kathodenseite beigemischt wird, kann eine Konzentration von nicht oxidiertem Brennstoff reduziert werden. Die offenbarungsgemäße Vorrichtung kommt ohne zusätzliche Ventile, Schalter und Sensoren aus. Das Puffervolumen ist so ausgelegt, dass lediglich passive zusätzliche Bauteile verwendet werden. Durch eine geeignete Dimensionierung der Bauteile kann die Abgasmischeinheit so ausgebildet werden, dass in sämtlichen Betriebspunkten der Brennstoffzelle ein Grenzwert an Brennstoff im Abgas nicht überschritten werden kann.
In einer Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass die fluidleitende Verbindung zwischen dem Puffervolumen und der Kathodenabgasleitung über zumindest eine Öffnung in einer Wand der Kathodenabgasleitung gebildet ist.
Die Öffnung kann im einfachsten Fall durch eine Bohrung gebildet sein. Die Bohrung kann in der Wand auch über ihren Verlauf im Durchmesser variieren, um eine Drosselwirkung zu erzeugen. Durch die Öffnungen gelangt Anodenabgas in den Kathodenabgasstrom. Damit eine Beladung bzw. Konzentration an brennbarem Anodenabgas im Kathodenabgasstrom gering gehalten werden kann, sind die Öffnungen klein gehalten, insbesondere so klein, dass auch bei einem vollständig aufgefüllten Puffervolumen höchstens so viel Anodenabgas in das Ka- thodenabgas gelangt, dass sich eine Maximalkonzentration von 8% bzw. 4% als Durchschnittswert des nicht oxidierten Brennstoffs im Kathodenabgasstrom einstellt.
In einer Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass die Öffnungen um einen Winkel W9 versetzt zu einer mittig durch die Kathodenabgasleitung verlaufenden Kathodenleitungsachse an der Kathodenabgasleitung angeordnet sind.
Durch den winkeligen Versatz der Öffnungen kann der Anodenabgasstrom in Strömungsrichtung oder entgegen der Strömungsrichtung mit dem Kathodenabgasstrom vermengt werden. Dadurch kann die Zuströmung des Anodenabgasstroms zu dem Kathodenabgasstrom unterstützt oder gehemmt werden.
In einer Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass die fluidleitende Verbindung zwischen dem Puffervolumen und der Kathodenabgasleitung über eine Aussparung in der Kathodenabgasleitung gebildet ist, wobei die Aussparung zwischen einem ersten Leitungsabschnitt der Kathodenabgasleitung und einem zweiten Leitungsabschnitt der Kathodenabgasleitung angeordnet ist.
Die Aussparung ist demnach eine Lücke in der Kathodenabgasleitung. Ein Zustrom an Anodenabgas ist demnach gleichmäßig über den Umfang verteilbar. Jedoch kann die Aussparung durch stabilisierende Stege zwischen dem ersten und dem zweiten Leitungsabschnitt A und B unterbrochen sein.
In einer Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass das Puffervolumen ein Volumen aufweist, welches so bemessen ist, dass das Volumen ein Spülvolumen an Abgas aus einer Anodenseite einer Brennstoffzelle in sich aufnehmen kann, wobei das Spülvolumen einer Menge an Brennstoff entspricht, welches bei einem Spülvorgang der Anodenseite mindestens ausgegeben wird.
Ein Spülvorgang ist wie beschrieben ein regelmäßig durchgeführter Schritt im Betrieb der Brennstoffzelle. Als Spülvolumen wird ein Volumen bezeichnet, welches bei einem Spülvorgang aus der Brennstoffzelle gespült werden muss. Das Spülvolumen kann 9 bis 30 mal so groß sein, wie ein sich durch das Spülvolumen erstreckender Leitungsabschnitt der Kathodenabgasleitung. In einer Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass das Puffervolumen ein Volumen aufweist, welches so groß bemessen ist, dass das Puffervolumen als Schalldämpfer fungiert und Schallwellen im Kathodenabgasstrom zumindest teilweise ausgelöscht werden. Dadurch kann das Puffervolumen neben der Durchmischung noch eine dämpfende Funktion übernehmen. Das Puffervolumen kann in diesem Fall abgestimmt sein auf eine Gesamtfläche als Summe der Flächen der Verbindung zwischen dem Puffervolumen und der Kathodenabgasleitung. In einer Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass eine Gesamtfläche der Verbindung zwischen dem Puffervolumen und der Kathodenabgasleitung so groß ist, dass auch bei einem mit Wasserstoff gefüllten Puffervolumeneine Anodenabgas-Maximalkonzentration von 8% bzw. 4% als Durchschnittswert des nicht oxidierten Brennstoffs im Kathodenabgasstrom einstellt.. Die Gesamtfläche der Öffnungen, in der Kathodenabgasleitung ist definiert durch Abschnitte im Kathodenabgasrohr, welche an diesen Stellen ausgespart oder ausgebohrt sind. Die Gesamtfläche ist so bestimmt, dass Anodengas durch den Abgasstrom sukzessive aus dem Puffervolumen herausgesaugt wird bzw. infolge einer Druckdifferenz übertritt.
In einer Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass die Abgasmischeinheit einen Ablauf für kondensierende Flüssigkeiten aufweist. Der Ablauf kann durch eine Öffnung in einem Gehäuse der Abgasmischeinheit gebildet sein, wobei eine Ablaufleitung fluidleitend in die Öffnung mündet. Um zu verhindern, dass kondensierte Flüssigkeit aus der Ablaufleitung wieder zurück geleitet wird, kann ein Rückschlagventil in der Öffnung angeordnet sein.
In einer Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass die Anodenabgasleitung so in das Puffervolumen mündet, dass der Anodenabgasstrom und der Kathodenabgasstrom gleichgerichtet durch das Puffervolumen strömen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken. Es zeigen:
Fig. 1 : schematisch eine Brennstoffzelle mit einer Kathodenabgasleitung und einer Anodenabgasleitung, wobei ein Abgasstrom aus der Kathodenabgasleitung in einer Abgasmischeinheit mit einem Anodenabgasstrom vermengt wird;
Fig. 2A: schematisch eine erste Ausführungsform der Abgasmischeinheit;
Fig. 2B: schematisch eine zweite Ausführungsform der Abgasmischeinheit; und
Fig. 2C: schematisch eine dritte Ausführungsform der Abgasmischeinheit.
Die folgende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich veranschaulichend. Der Klarheit halber sind in den Zeichnungen zur Bezeichnung ähnlicher Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet. Es ist festzu stellen, dass einige Schritte innerhalb eines Verfahrens in anderer Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu ändern. Brennstoffzelleneinheiten weisen in der Regel mehrere Brennstoffzellen auf, da die in Stacks in Reihe geschaltet sind. Diese weisen jeweils die schematisch dargestellte Anoden- und Kathodenseite sowie eine diese voneinander räumlich trennende Membran auf. Eine Zuführung von Brennstoff an die Anodenseite und eine Zuführung von Sauerstoff bzw. Luft an die Kathodenseite kann dabei an mehrere Stacks gleichzeitig erfolgen.
Die Figuren 2A, 2B und 2C zeigen eine Abgasmischeinheit 20A, 20B, 20C für eine Brennstoffzelle 10 entsprechend Figur 1. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine Brennstoffzelle 10 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeuges. Die Brennstoffzelle 10 weist eine Anodenseite 1 und eine Kathodenseite 2 auf. Ferner weist die Brennstoffzelle 10 eine in ein Puffervolumen 11 mündende Anodenabgasleitung 13 und eine das Puffervolumen 11 durchdringende Kathodenabgasleitung 14 auf. Die Kathodenabgasleitung 14 ist in einem Abschnitt innerhalb des Puffervolumens 11 fluidleitend mit dem Puffervolumen 11 verbunden, so dass sich in dem Puffervolumen 11 ein Anodenabgasstrom A13 mit Kathodenabgas K14 zu einem Mischabgasstrom M15 vermengt.
In periodischen Abständen wird die Anodenseite gespült, um Inertgas und/oder Kondensat auszutragen. Das Spülen der Anodenseite 1 kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass bei festgelegtem Vordruck ein Auslassventil 6 für den Wasserstoff für ca. 1-2 s geöffnet wird. In der Abgasmischeinheit 20A, 20B, 20C wird dann Abgas von der Anodenseite 1 (Anodenabgasstrom A13) mit Abgas von der Kathodenseite 2 (Kathodenabgasstrom K14) vermischt.
Abgas von der Anodenseite 1 enthält nicht oxidierten Brennstoff, der nicht ungefiltert oder zumindest nicht unverdünnt an die Umgebung gelangen sollte. Abgas von der Kathodenseite 2 ist weitestgehend inert bzw. enthält zumindest einen hohen Anteil an inerten Fluiden. In den offenbarungsgemäßen Abgasmischeinheiten 20A, 20B, 20C wird Abgas von der Anodenseite 1 sukzessive dem Abgas von der Kathodenseite 2 beigemischt. Hierdurch kann eine Konzentration von nicht oxidiertem Brennstoff reduziert werden.
Die offenbarungsgemäßen Abgasmischeinheiten 20A, 20B, 20C können dabei ohne zusätzliche Ventile, Schalter und Sensoren verwendet werde. Das Puffervolumen 11 ist hierfür so ausgelegt, dass lediglich passive zusätzliche Bauteile verwendet werden, also Bauteile, die nicht durch etwaige Steuer- und Regelungsvorrichtungen kontrolliert werden müssen. Durch eine geeignete Dimensionierung der Bauteile kann die Abgasmischeinheit 20A, 20B, 2C so ausgebildet werden, dass in sämtlichen Betriebspunkten der Brennstoffzelle 10 ein Grenzwert an Brennstoff im Mischabgasstrom M15 nicht überschritten werden kann.
In einer Abgasmischeinheit entsprechend den Figuren 2A und 2C ist vorgesehen, dass die fluidleitende Verbindung zwischen dem Puffervolumen 11 und der Kathodenabgasleitung 14 über zumindest eine Öffnung 9 in einer Wand 16 der Kathodenabgasleitung 14 gebildet ist.
Die Öffnung 9 kann im einfachsten Fall durch eine Bohrung gebildet sein, siehe Figuren 2A und 2C. Die Bohrung kann in der Wand 16 auch über ihren Verlauf im Durchmesser variieren, um eine Drosselwirkung zu erzeugen. Durch die Öffnungen 9 gelangt Anodenabgas in den Kathodenabgasstrom K14. Damit eine Beladung bzw. Konzentration an brennbarem Anodenabgas im Kathodenabgasstrom gering gehalten werden kann, sind die Öffnungen 9 klein gehalten, insbesondere so klein, dass auch bei einem vollständig aufgefüllten Puffervolumen 11 höchstens acht Prozent Anodenabgas A13 in das Kathodenabgas K14 gelangen.
In einer Abgasmischeinheit 20A, 20C entsprechend den Figuren 2A und 2C ist auch vorgesehen, dass die Öffnungen 9 um einen Winkel W9 versetzt zu einer mittig durch die Katho- denabgasleitung 14 verlaufenden Kathodenleitungsachse A14 an der Kathodenabgasleitung 14 angeordnet sind.
Durch den winkeligen Versatz der Öffnungen 9 kann der Anodenabgasstrom in Strömungsrichtung oder entgegen der Strömungsrichtung mit dem Kathodenabgasstrom K14 vermengt werden. Die Strömungsrichtung entspricht dabei einer Richtung des Kathodenabgasstroms K14 bzw. des Mischabgasstroms M15. Dadurch kann die Zuströmung des Anodenabgasstroms A13 zu dem Kathodenabgasstrom K14 unterstützt oder gehemmt werden. Unterstützt wird die Zuströmung des Anodenabgasstroms zu dem Kathodenabgasstrom K14, indem Winkel W9 von über 90° verwendet werden. Die Richtung, in der das Anodenabgas dann durch die Öffnungen 9 strömt, entspricht bereits der Strömungsrichtung des Kathodenabgasstroms K14. Gehemmt wird die Zuströmung des Anodenabgasstroms A13 zu dem Kathodenabgasstrom K14, indem Winkel W9 von unter 90° verwendet werden. Die Richtung, in der das Anodenabgas dann durch die Öffnungen 9 strömt, entspricht dann nicht der Strömungsrichtung des Kathodenabgasstroms K14.
In einer Ausgestaltung entsprechend der Figur 2B ist ferner vorgesehen, dass die fluidleitende Verbindung zwischen dem Puffervolumen 11 und der Kathodenabgasleitung 14 über eine Aussparung 12 in der Kathodenabgasleitung 14 gebildet ist, wobei die Aussparung 12 zwischen einem ersten Leitungsabschnitt 14A der Kathodenabgasleitung 14 und einem zweiten Leitungsabschnitt 14B der Kathodenabgasleitung 14 angeordnet ist.
Die Aussparung 12 ist demnach eine Lücke in der Kathodenabgasleitung 14. Ein Zustrom an Anodenabgas ist gleichmäßig über den Umfang verteilbar. Jedoch kann die Aussparung 12 durch nicht dargestellte stabilisierende Stege zwischen dem ersten und dem zweiten Leitungsabschnitt 14A und 14B unterbrochen sein.
In einer Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass das Puffervolumen 11 ein Volumen V11 aufweist, welches so groß bemessen ist, dass das Volumen V11 ein Spülvolumen S1 an Abgas aus einer Anodenseite 1 einer Brennstoffzelle 10 in sich aufnehmen kann, wobei das Spülvolumen S1 einer Menge an Brennstoff entspricht, welche bei einem Spülvorgang der Anodenseite 1 mindestens ausgegeben wird. Als Spülvolumen S1 wird ein Volumen bezeichnet, welches bei einem Spülvorgang aus der Brennstoffzelle 10 gespült werden muss.
In einer Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass das Puffervolumen 11 ein Volumen V11 aufweist, welches so groß bemessen ist, dass das Puffervolumen 11 als Schalldämpfer fungiert und Schallwellen im Kathodenabgasstrom K14 zumindest teilweise ausgelöscht werden. Ein Durchmesser der Öffnungen 9 kann dabei variiert werden in ihrer Größe und in ihrem Abstand zueinander, so dass im Zusammenspiel mit dem Puffervolumen 11 eine Abstimmung auf zu absorbierende Frequenzbereiche erfolgt.
Insbesondere bei der Verwendung von Verdichtern emittiert die Brennstoffzelle 10 Strömungsgeräusche und Vibrationen. Die Strömungsgeräusche können in dem Schalldämpfer unterdrückt werden. Dadurch kann das Puffervolumen 11 neben der Durchmischung noch weitere Funktionen übernehmen. Das Volumen V11 kann in diesem Fall abgestimmt sein auf eine Gesamtfläche als Summe der Flächen F9 und F12 der Verbindung zwischen dem Puffervolumen 11 und der Kathodenabgasleitung 14.
Bei den in den Figuren 2A, 2B und 2C dargestellten Abgasmischeinheiten 20A, 20B, 20C ist eine Gesamtfläche F9, F12 der Verbindung zwischen dem Puffervolumen 11 und der Kathodenabgasleitung 14 so groß, dass auch bei einem mit Wasserstoff gefüllten Puffervolumen 11 ein Anteil an Wasserstoff im Mischabgasstrom M15 von acht Prozent nicht überschritten wird. Es gelangt höchstens so viel Anodenabgas in den Kathodenabgasstrom K14, dass sich eine Anodenabgas-Maximalkonzentration von 4% bis 8% im Mischabgasstrom M14 einstellt. Die Gesamtfläche F9, F12 der Öffnungen 9, 12 in den Kathodenabgasleitung 14 ist definiert durch Abschnitte im Kathodenabgasrohr 14, welche an diesen Stellen ausgespart oder ausgebohrt sind. Die Gesamtfläche F9, F12 ist so bestimmt, dass Anodengas durch den Abgasstrom K14 sukzessive aus dem Puffervolumen 11 herausgesaugt wird.
In den Figuren 2A, 2B und 2C erkennt man, dass die Abgasmischeinheiten 20A, 20B und 20C einen Ablauf 21 für kondensierende Flüssigkeiten aufweisen. Der Ablauf 21 kann durch eine Öffnung 22 in einem Gehäuse der Abgasmischeinheit gebildet sein, wobei eine Ablaufleitung 23 fluidleitend in die Öffnung 22 mündet. Um zu verhindern, dass kondensierte Flüssigkeit aus der Ablaufleitung 23 wieder zurück geleitet wird, kann ein nicht dargestelltes Rückschlagventil in der Öffnung 22 angeordnet sein. Der Ablauf 21 kann auch fluidleitend mit dem Kathodenabgasrohr 14 verbunden sein. In den Figuren 2A, 2B und 2C erkennt man, dass die Öffnung 21 an einer geodätisch unten liegenden Fläche des Puffervolumens 11 vorgesehen ist.
In der in Figur 2A dargestellten Abgasmischeinheit 20A ist vorgesehen, dass die Anodenabgasleitung 13 so in das Puffervolumen 11 mündet, dass der Anodenabgasstrom A13 und der Kathodenabgasstrom K14 gleichgerichtet durch das Puffervolumen 11 strömen, entsprechend der Figur 2A.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Anodenabgasleitung 13 so in das Puffervolumen 11 mündet, dass der einströmende Anodenabgasstrom A13 beabstandet von den Öffnungen 9 bzw. der Aussparung 12 in das Puffervolumen 11 strömt und zunächst entgegen dem Kathodenabgasstrom K14 in das Puffervolumen 11 strömen muss, bevor er durch die Öffnungen 9 bzw. die Aussparung 12 gelangen kann. Diese Ausgestaltung ist in den Figuren 2B und 2C gezeigt.
Gleichwohl zumindest ein Ausführungsbeispiel in der vorangegangenen Beschreibung sowie der Figurenbeschreibung dargestellt wurde, sollte man anerkennen, dass eine hohe Anzahl an Variationen existiert. Weiterhin sollte man anerkennen, dass das Ausführungsbeispiel bzw. die Ausführungsbeispiele nur Beispiele sind und dass sie nicht dazu dienen, den Schutzbereich, die Anwendbarkeit oder die genaue Ausgestaltung in irgendeiner Art und Weise zu beschränken. Vielmehr stellen die Beschreibung sowie die Figurenbeschreibung für den Fachmann eine nützliche Anleitung zur Implementierung mindestens einer Ausführungsform bereit, dabei sollte klar sein, dass verschiedene Änderungen in der Form und Funktion der beschriebenen Merkmale vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der Ansprüche und deren Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste:
1 Anodenseite
2 Kathodenseite
5 Ventil
6 Ventil
9 Öffnung
10 Brennstoffzelle
11 Puffervolumen
12 Aussparung
13 Anodenabgasleitung
14 Kathodenabgasleitung
14A Leitungsabschnitt
14B Leitungsabschnitt
16 Wand
A14 Kathodenleitungsachse
20A Abgasmischeinheit
20B Abgasmischeinheit
20C Abgasmischeinheit
21 Ablauf
22 Öffnung
23 Ablaufleitung
A13 Anodenabgasstrom
K14 Kathodenabgasstrom
M15 Mischabgasstrom S1 Spülvolumen
V11 Volumen
W9 Winkel

Claims

Patentansprüche:
1 . Abgasmischeinheit (20A, 20B, 20C) für eine Brennstoffzelle (10), insbesondere für eine Brennstoffzelle (10) eines Kraftfahrzeuges, aufweisend eine in ein Puffervolumen (11) mündende Anodenabgasleitung (13) und eine das Puffervolumen (11) durchdringende Kathodenabgasleitung (14), wobei die Kathodenabgasleitung (14) in einem Abschnitt innerhalb des Puffervolumens (11) fluidleitend mit dem Puffervolumen (11) verbunden ist, so dass sich in dem Puffervolumen (11) ein Anodenabgasstrom (A13) mit einem Kathodenabgasstrom (K14) zu einem Mischabgasstrom (M15) vermengt.
2. Abgasmischeinheit (20A, 20B, 20C) nach Anspruch 1 , wobei die fluidleitende Verbindung zwischen dem Puffervolumen (11) und der Kathodenabgasleitung (14) über zumindest eine Öffnung (9) in einer Wand (16) der Kathodenabgasleitung (14) gebildet ist.
3. Abgasmischeinheit (20A, 20B, 20C) nach Anspruch 1 und/oder 2, wobei die Öffnungen (9) um einen Winkel (W9) versetzt zu einer mittig durch die Kathodenabgasleitung (14) verlaufenden Kathodenleitungsachse (A14) an der Kathodenabgasleitung (14) angeordnet sind.
4. Abgasmischeinheit (20A, 20B, 20C) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, wobei die fluidleitende Verbindung zwischen dem Puffervolumen (11) und der Kathodenabgasleitung (14) über eine Aussparung (12) in der Kathodenabgasleitung (14) gebildet ist, wobei die Aussparung (12) zwischen einem ersten Leitungsabschnitt (14A) der Kathodenabgasleitung (14) und einem zweiten Leitungsabschnitt (14B) der Kathodenabgasleitung (14) angeordnet ist.
5. Abgasmischeinheit (20A, 20B, 20C) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Puffervolumen (11) ein Volumen (V11) aufweist, welches so groß bemessen ist, dass das Volumen (V11) ein Spülvolumen (S1) an Abgas aus einer Anodenseite (1) einer Brennstoffzelle (10) in sich aufnehmen kann, wobei das Spülvolumen (S1) einer Menge an Brennstoff entspricht, welches bei einem Spülvorgang der Anodenseite (1) mindestens ausgegeben wird.
6. Abgasmischeinheit (20A, 20B, 20C) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Puffervolumen (11) ein Volumen (V11 ) aufweist, welches so groß bemessen ist, dass das Puffervolumen (11) als Schalldämpfer fungiert.
7. Abgasmischeinheit (20A, 20B, 20C) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Gesamtfläche (F9, F12) der Verbindung zwischen dem Puffervolumen (11) und der Kathodenabgasleitung (14) so groß ist, dass auch bei einem mit Wasserstoff gefüllten Puffervolumen (11) höchstens so viel Anodenabgas in das Kathodenabgasstrom (K14) gelangt, dass sich eine Anodenabgas-Maximalkonzentration von 4% bis 8% im Mischabgasstrom (M14) einstellt.
8. Abgasmischeinheit (20A, 20B, 20C) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Abgasmischeinheit (20A,20B, 20C) einen Ablauf (21) für kondensierende Flüssigkeiten aufweist.
9. Abgasmischeinheit (20A, 20B, 20C) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Anodenabgasleitung (13) so in das Puffervolumen (11) mündet, dass der Anodenabgasstrom (A13) und der Kathodenabgasstrom (K14) gleichgerichtet durch das Puffervolumen (11) strömen.
10. Abgasmischeinheit (20A, 20B, 20C) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Anodenabgasleitung (13) so in das Puffervolumen (11) mündet, dass der einströmende Anodenabgasstrom (A13) beabstandet von den Öffnungen (9) bzw. der Aussparung (12) in das Puffervolumen (11) strömt und zunächst entgegen dem Kathodenabgasstrom (K14) in das Puffervolumen (11) strömen muss, bevor er durch die Öffnungen (9) bzw. die Aussparung (12) gelangen kann.
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