EP4305694A1 - Gasmanagementvorrichtung und verfahren zum konditionieren von anodengas einer brennstoffzelle - Google Patents

Gasmanagementvorrichtung und verfahren zum konditionieren von anodengas einer brennstoffzelle

Info

Publication number
EP4305694A1
EP4305694A1 EP22711947.6A EP22711947A EP4305694A1 EP 4305694 A1 EP4305694 A1 EP 4305694A1 EP 22711947 A EP22711947 A EP 22711947A EP 4305694 A1 EP4305694 A1 EP 4305694A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
interior
gas
line
fluid tank
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22711947.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Rölver
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hengst SE and Co KG
Original Assignee
Hengst SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hengst SE and Co KG filed Critical Hengst SE and Co KG
Publication of EP4305694A1 publication Critical patent/EP4305694A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • H01M8/04164—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 condensers, gas-liquid separators or filters
    • 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
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231—Purging of the reactants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16T—STEAM TRAPS OR LIKE APPARATUS FOR DRAINING-OFF LIQUIDS FROM ENCLOSURES PREDOMINANTLY CONTAINING GASES OR VAPOURS
    • F16T1/00—Steam traps or like apparatus for draining-off liquids from enclosures predominantly containing gases or vapours, e.g. gas lines, steam lines, containers
    • F16T1/12—Steam traps or like apparatus for draining-off liquids from enclosures predominantly containing gases or vapours, e.g. gas lines, steam lines, containers with valves controlled by excess or release of pressure
    • 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
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • 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
    • 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
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04253—Means for solving freezing problems
    • 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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04425—Pressure; Ambient pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformers, compressors, burners
    • 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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04791—Concentration; Density
    • H01M8/04805—Concentration; Density of fuel cell exhausts
    • 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

  • the present invention relates to a gas management device for conditioning anode gas of a fuel cell according to the preamble of claim 1 and also to an associated method according to the preamble of claim 9.
  • H2-rich process gas or a process fluid is chemically converted, especially into water (H2O), by supplying atmospheric oxygen.
  • the H2-lean exhaust gas is at least partially circulated and enriched with H2 gas up to the required concentration before it is fed back into the fuel cell.
  • the by-products and foreign substances from the exhaust gas of the fuel cell must be removed or removed, these are in particular water (H2O) and nitrogen (N2).
  • DE 102012020 280.6 A1 discloses a water separation unit in which an outlet valve is arranged below the collection tank, which on the one hand enables water to be discharged and also purging, with the gas being supplied via a riser that protrudes into the gas space of the collection tank from below , so that gas from the upper gas space is discharged downwards.
  • a riser that protrudes into the gas space of the collection tank from below , so that gas from the upper gas space is discharged downwards.
  • the object of the invention is therefore to provide a device and a method by which the processing of anode gas is made possible even when ice forms in the water separator.
  • this object is achieved by a gas management device having the features of the characterizing part of claim 1.
  • a method according to the characterizing part of claim 9 solves this problem.
  • the core of the invention consists in the fact that the discharge valve is arranged in the upper area and/or above the top of the fluid tank, and that gases and liquids, especially water, can also be discharged via the same discharge valve during normal operation.
  • the derivation usually takes place in a central discharge line, whereby this is not to be understood as limiting and a full or partial use of the fluids, here in particular the water, in at least one subsequent process step is covered by the inventions.
  • Arranging the discharge valve in the upper area and/or above the top of the fluid tank reliably prevents the discharge valve from freezing. Furthermore, the fact that there is only one release valve for gases and fluid means that, in addition to improved economy, there is a great advantage in that the installation space is reduced and weight savings are achieved.
  • riser and riser are to be used synonymously.
  • the riser can be designed as an integrated element of the container wall by the container wall forming part of the wall surface of the riser and where at least part of the other line wall protrudes into the interior or is outside of the fluid tank.
  • the lower opening of the riser is adjacent to or at a small distance from the inner floor of the fluid tank.
  • the riser can be designed as a freely suspended line, the free, lower end of which is positioned at a small distance above the inner floor of the fluid tank.
  • the free hanging includes that, if necessary, one or more struts are provided with at least one container wall.
  • At least one bypass line is provided in the riser, through which the interior of the fluid tank is fluidly connected to the riser, so that there is constant pressure equalization.
  • the Bypass line is arranged in the upper region of the fluid tank, which is usually gas-filled in the intended operation.
  • the bypass line can be made as a small bore or opening between the interior and the riser.
  • bypass line is provided with a valve, ie a valve is provided in or adjacent to the line path of the bypass line.
  • This valve can in particular be a passive check valve or a pressure relief valve.
  • This valve is permanently or normally open. Above a limit value in the riser or a limit value difference between the riser device and the interior of the fluid tank, such as in particular the volumetric flow rate and/or the internal pressure, the valve closes until the limit value or the limit value difference is fallen below again.
  • a further, improved embodiment consists in that an emergency valve is arranged in the riser pipe or towards the riser pipe in the upper area of the interior.
  • an emergency valve is arranged in the riser pipe or towards the riser pipe in the upper area of the interior.
  • an additional fluidic connection can be made from the interior of the fluid tank into the riser, particularly when there is a critical increase in pressure in the interior, via which gases and liquids can be quickly discharged. This is necessary, for example, when the lower interior is iced up and the lower end of the riser is closed as a result.
  • the emergency valve is an overpressure valve which is designed, for example, as a preloaded, passive overpressure valve.
  • bypass line is arranged in the interior of the fluid tank above the emergency valve. Furthermore, it is advantageous overall to also arrange the emergency valve as high as possible in the interior of the fluid tank.
  • An advantageous embodiment provides that the emergency valve and/or the bypass line are arranged in the area or even above the water separator, so that the highest possible position in the gas-filled volume is ensured. This embodiment is particularly useful when the water separator and the fluid tank form a closed unit.
  • At least one further ventilation line is provided, via which the interior space can be fluidically connected to the discharge valve.
  • This further ventilation line has no direct fluidic connection to the riser line.
  • the release valve is designed as a multi-way valve.
  • the discharge valve designed as a multi-way valve has inner line paths in a valve position in which a fluidic connection can be established between the interior of the fluid tank and the riser line. This position enables pressure equalization between the riser pipe and the interior via the release valve.
  • the discharge valve has such inner line paths in a valve position in which a line connection can be established between the interior of the fluid tank and the central drain line while the riser line is closed at the same time.
  • This valve position enables direct, rapid purging of the interior even when the riser line may still be filled with fluid that is not to be drained off or when it is iced over.
  • the bypass line in the interior of the fluid tank can advantageously be omitted.
  • the emergency valve can also be omitted, because it is sufficient for the start of operation until the ice has thawed if a pure gas discharge (pure purging) is carried out while the fluid tank is still largely filled with ice and water. It is therefore also an overall economic advantage if no two separate valves with the respective associated lines are provided for the removal or discharge of gases and/or water from the anode gas circuit in all of the above-mentioned embodiments and variants.
  • the method according to the invention for operating a fuel cell and for discharging gases and/or liquids from an anode gas circuit comprises that the gases and/or liquids are fed to a water separator via a gas supply line downstream of the fuel cell and separated liquid, esp. Water (H20) is drained into a fluid tank.
  • This operation includes the following steps:
  • the essence of this method according to the invention is that gases are discharged from the anode gas circuit and/or liquids are discharged from the fluid tank via the same discharge valve.
  • the discharge valve is arranged in the upper area and/or above the top of the fluid tank. This means that the fluid (water or gas) can be directed upwards for discharge from the fluid tank, where the discharge valve is also located.
  • the gas in the emptying step pushes liquid present in a first Step ahead, through the release valve.
  • the proportion of gas to be discharged is then passed through the discharge valve.
  • an embodiment or a combination of embodiments of the gas management device described above is advantageously used for conditioning the anode gas of a fuel cell.
  • an emergency release step in which, in the event of an excessive increase in pressure and/or icing in the lower area of the interior, an emergency valve is opened in the upper area of the interior and existing fluids from the interior via the riser and the Release valve are derived.
  • the discharge takes place in a discharge line arranged downstream of the discharge valve.
  • a further improvement of the method is that the bypass line is closed when at least one limit value in the riser line, such as the internal pressure and/or the volume flow, is exceeded.
  • a passive non-return and/or pressure relief valve is advantageously used for this closure. This prevents excessive backflow into the interior of the fluid tank when the water is drained or purged, which shortens the times for these steps (emptying water and releasing gas).
  • fluid should be understood to mean a gas or a liquid, unless otherwise indicated.
  • gases have different compositions and concentrations of gas constituents and water contents. These relationships are known in the prior art. Therefore, for the sake of simplicity, only the term “Gas” or “gases” used, including always depending on the location and depending on the process step, the respective gas or mixture is to be understood, unless something different is expressly mentioned.
  • FIG. 3 shows the gas management device according to FIG. 1 in a first method state, with a first valve position
  • 4 shows the gas management device according to FIG. 1 in a second method state, with a second valve position
  • FIG. 5 shows the gas management device according to FIG. 1 in a further method state, with the valve position according to FIG. 4,
  • FIG. 6 shows the gas management device with a release valve which is designed as a multi-way valve
  • FIG. 7 shows the gas management device with a release valve, which is designed as a further multi-way valve in a first valve position
  • FIG. 8 shows the gas management device according to FIG. 7 in a further valve position
  • FIGS. 7 and 8 shows the gas management device according to FIGS. 7 and 8 in the third valve position
  • FIG 10 shows the gas management device with an alternative arrangement of the bypass line and the emergency valve.
  • FIG. 1 shows a greatly simplified process sequence of a fuel cell.
  • the cathode process section 20, on the left in the picture, should not be considered any further.
  • the required oxygen (O 2 ) is fed via an air process section 30 to the fuel cell 1 on the cathode side, with the following descriptions relating overall to the gas process on the anode gas side.
  • the process gas is fed from a storage tank 16 via the lines 17 and a mixer 18, which can be formed, for example, as a jet mixer, via line 19 of the fuel cell 1.
  • the gas depleted in H2 leaves the fuel cell 1 via the line 20 and is nem water separator 4 fed.
  • the dehumidified gas leaves the water separator 4 via the gas discharge line 6.
  • a partial flow is removed via the valve 11 (purging) and discharged via a line path 21 .
  • H2-rich gas is fed in again in order to set the required H2 gas concentration.
  • the process gas is subsequently reintroduced into the fuel cell 1 via the line 19 as mentioned above.
  • Such processes are known in many versions, in particular also processes in which the H2 is not introduced directly as a gas but as a suitable H2-rich fluid.
  • the basic structure of the gas management device 1 according to the invention can be seen in the sectional drawing according to FIG.
  • the water separator 4 is arranged on the fluid tank 2 .
  • This can be designed as a cyclone, impact separator or in any other known form.
  • the gas is conducted via the gas supply line 5 into the water separator 4 and leaves this dehumidified via the gas discharge line 6 again. Separated water drips or runs into the interior 3 of the fluid tank 2 and collects in the lower area 3.1.
  • the fluid tank 2 is approximately one-third filled with water, which is shown as a shaded area in the lower area 3.1.
  • the riser 7 runs, which is designed as a vertical channel.
  • the lower end 7.1 of the riser 7 is open to the inner floor of the fluid tank 2.
  • the upper end 7.2 of the riser 7 is connected to a discharge valve 8, which opens into a discharge device 9 downstream.
  • the discharge valve 8 is designed as a simple check valve.
  • FIG. 1 shows the operating state in which the fuel cell 1 works and separated water is collected. In this case, there is no purging (release of low-H2 gas) and also no discharge of liquid water, because the release valve 8 is in the closed position.
  • FIG. 3 shows the subsequent diversion step, specifically dewatering as the first partial step in the diversion of fluids.
  • the release valve 8 is set to through-line, so that due to the pressure drop between the fluid tank 2 internal pressure on the one hand and the discharge line 9 on the other hand, the water (shaded area) is pressed into the riser 7 and passed through the release valve 8 .
  • the necessary excess pressure inside the fluid tank 2 occurs in a known manner via the supply of H2-rich fluid, for example at the mixer 18 (FIG. 1).
  • the deposition process is not necessarily interrupted, as indicated by the drops in the interior 3.
  • FIG. 4 shows the second sub-step of the discharge, namely the discharge of the gas (purging), which follows the dewatering.
  • the separated water is completely discharged via the discharge valve 8 and discharge line 9, so that the proportion of gas, especially low-H2 gas, is then discharged until the desired purging rate (H2 concentration) is reached.
  • the bypass line 12, as a permanent opening between the riser 7 and the interior 3, is not a problem here and is not a disadvantage, especially if the cross section of the bypass line 12 is significantly smaller than the cross section of the main flow paths.
  • the procedural situation shown in FIG. 5 shows the not uncommon case that ice has formed in the lower area 3.1 of the interior 3, indicated by the area filled with dashed lines, so that the inlet near the ground at the lower end 7.1 of the riser pipe 7 is also closed.
  • the water and the gas can no longer be removed from the interior 3 via a printer increase and opening of the release valve 8 are discharged.
  • the spring-biased emergency valve 14 opens in the direction of the pressure drop.
  • the emergency valve 14 is designed as a known pressure relief valve and leads to the upper area of the riser 7. All fluids can thus be drained off via this further bypass from the interior 3, into the riser 7 and further via the discharge valve 8, as indicated by the arrows . Since icing occurs in particular during downtimes, the icing melts subsequently in a short time when the fuel cell 1 is in operation.
  • FIG. 6 shows an alternative or supplementary embodiment to the previous examples.
  • a further ventilation line 13 is provided on the upper side 2.1 of the fluid tank 2 with access to the interior 3 and the discharge valve 8 is designed as a multi-way valve. In a first valve position takes place via the inner line paths of Druckaus equal to the riser 7, wherein the path to the derivative 9 is blocked. In the second valve position of the discharge valve 8, which is not switched in FIG. 6, the further ventilation line 13 would be closed and the path to the discharge line 9 would be opened.
  • the vent line 13 together with the inner line paths of the valve 8 form a bypass line analogous to the bypass line 12 described above.
  • FIGS. 7, 8 and 9 further valve positions are possible.
  • the first valve position shown according to FIG. 7 corresponds to that according to FIG.
  • FIG. 10 shows a special installation position of the emergency valve 14 and the bypass line 12 in the area or at the height of the water separator 4.
  • the emergency valve 14 and/or the bypass line 12 is arranged above the water separator 4k.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasmanagementvorrichtung und ein Verfahren zum Konditionieren von Anodengas einer Brennstoffzelle. Die Vorrichtung umfasst einen Fluidtank und einen hiermit fluidisch verbundenen Wasserabscheider, wobei ein Entlassventil im oberen Bereich und/oder oberhalb von der Oberseite des Fluidtanks angeordnet ist. Über dieses eine Entlassventil werden im bestimmungsgemäßen Betrieb Gase und Flüssigkeiten, hier insb. Wasser, abgeleitet. Die Ableitung erfolgt üblicherweise in eine zentrale Ablaufleitung.

Description

Beschreibung
Gasmanagementvorrichtung und Verfahren zum Konditionieren von Anodengas einer Brennstoffzelle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasmanagementvorrich tung zum Konditionieren von Anodengas einer Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und weiterhin ein zuge höriges Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 9.
Bei der chemischen Reaktion in einer bekannten Brennstoffzelle wird wasserstoffreiches (H2-reiches) Prozessgas oder ein Pro zessfluid durch Zuführung von Luftsauerstoff chemisch insb. in Wasser (H20) umgewandelt. Das H2-arme Abgas wird mindestens teilweise im Kreis geführt und vor der erneuten Einleitung in die Brennstoffzelle bis zu einer erforderlichen Konzentration mit H2-Gas angereichert. Weiterhin müssen die Nebenprodukte und Fremdstoffen aus dem Abgas der Brennstoffzelle ab- bzw. ausgeleitet werden, dies sind insb. Wasser (H20) und Stick stoff (N2).
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Vorrichtung und Verfahren bekannt, um effizient das Anodengas aufzuberei ten, insbesondere die Wasserabscheidung und Gasausleitung (Purging) zu realisieren. So offenbart die DE 102012020 280.6 Al eine Wasserabscheideeinheit, bei der ein Auslassven til unterhalb des Sammeltanks angeordnet ist, das einerseits die Wasserableitung als auch das Purging ermöglich, wobei das Gas über eine Steigleitung zugeführt wird, die in den Gasraum des Sammeltanks von unten hinein ragt, so dass Gas aus dem oberen Gasraum nach unten ausgeleitet wird. Es hat sich allerdings als ein bisher nicht hinreichend gelös test Problem herausgestellt, die Entwässerung und die Gasaus- leitung (Purging) vorzunehmen, wenn Eisbildungen im Sammeltank des Wasserabscheiders auftreten, die zum Verschluss der Aus lässe und auch zum Einfrieren der Entlassventile führen. Diese Eisbildung tritt fast ausschließlich beim Betriebsstillstand der Brennstoffzelle auf, was das erforderliche Purging vor dem Start des Motors erschwert oder verhindert.
Die Aufgabe der Erfindung ist somit, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit zu stellen, wodurch die Aufbereitung von Ano dengas auch bei Eisbildung im Wasserabscheider ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Gasmanagement vorrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Außerdem löst ein Verfahren nach dem kenn zeichnenden Teil des Anspruchs 9 diese Aufgabe. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vor richtung und des Verfahrens ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.
Dabei umfasst die erfindungsgemäße Gasmanagementvorrichtung zum Konditionieren von Anodengas einer Brennstoffzelle einen Fluidtank und einen Wasserabscheider, wobei der Wasserabschei der fluidisch mit dem Fluidtank verbunden ist und/oder in des sen Innenraum angeordnet ist. Weiterhin führt eine Gaszulei tung, in der das Abgas aus der Brennstoffzelle geführt wird, in den Wasserabscheider und eine Gasableitung führt aus dem Wasserabscheider wieder heraus. Weiterhin ist eine Steiglei tung vorgesehen, die mit ihrem unteren Ende mit einem unteren Bereich des Innenraums verbunden ist, nämlich dort wo sich das aus dem Abgas abgeschiedene Wasser zuerst sammelt, und/oder die Steigleitung ragt in den Innenraum hinein. Die Steiglei tung ist mit einem oberen Ende mit einem Entlassventil verbun den. Idealerweise ist das Entlassventil außerhalb des Innen raums des Fluidtanks angeordneten. Der Kern der Erfindung besteht nun darin, dass das Entlassven til im oberen Bereich und/oder oberhalb von der Oberseite des Fluidtanks angeordnet ist, und weiterhin über dasselbe Ent lassventil im bestimmungsgemäßen Betrieb Gase und Flüssigkei ten, hier insb. Wasser, ableitbar sind. Die Ableitung erfolgt üblicherweise in eine zentrale Ablaufleitung, wobei dies nicht einschränkend zu verstehen ist und eine vollständige oder teilweise Nutzung der Fluide, hier insb. des Wassers, in min destens einem nachfolgenden Prozessschritt, ist von der Erfin dung umfasst.
Durch die Anordnung des Entlassventils im oberen Bereich und/oder oberhalb von der Oberseite des Fluidtanks wird sicher verhindert, dass das Entlassventil einfriert. Weiterhin be steht durch das nur eine Entlassventil für Gase und Fluid ein großer Vorteil neben verbesserter Wirtschaftlichkeit darin, dass der Bauraum verringert wird und Gewichtseinsparungen er reicht werden.
Vorliegend sollen die Begriffe Steigrohr und Steigleitung sy nonym verwendet werden. Die Steigleitung kann als integriertes Element der Behälterwand ausgebildet sein, indem die Behälter wand einen Teil der Wandfläche der Steigleitung bildet und wo bei mindestens einen Teil der sonstigen Leitungswand in den Innenraum ragt oder außerhalb des Fluidtanks liegt. Die untere Öffnung der Steigleitung ist angrenzend oder mit geringem Ab stand zum Innenboden des Fluidtanks angeordnet. Weiterhin kann die Steigleitung als freihängende Leitung ausgebildet sein, deren freies, unteres Ende in einem geringen Abstand über dem Innenboden des Fluidtanks positioniert ist. Dabei schließt das freie Hängen ein, dass bedarfsweise ein oder mehrere Verstre bungen mit mindestens einer Behälterwand vorgesehen sind.
Bei einer verbesserten Variante ist in der Steigleitung min destens eine Bypassleitung vorgesehen, durch welche der Innen raum des Fluidtanks mit der Steigleitung fluidisch verbunden wird, so dass ein ständiger Druckausgleich erfolgt. Zur Ver meidung von Anlagerungen ist es dabei vorteilhaft, wenn die Bypassleitung im oberen Bereich des Fluidtanks angeordnet ist, der üblicherweise im bestimmungsgemäßen Betrieb gasgefüllt ist. Als sehr vorteilhafte und wirtschaftlich günstige Lösung kann die Bypassleitung als eine kleine Bohrung oder Öffnung zwischen Innenraum und Steigleitung hergestellt werden.
Eine verbesserte Variante ist dergestalt, dass die Bypasslei tung mit einem Ventil versehen ist, also im oder angrenzend zum Leitungsweg der Bypassleitung ein Ventil vorgesehen ist. Dieses Ventil kann insbesondere ein passives Rückschlagventil oder ein Überdruckventil sein. Dieses Ventil ist im Dauer oder im Normalzustand geöffnet. Ab einem Grenzwert in der Steigleitung oder einer Grenzwertdifferenz zwischen Steiglei tung und Innenraum des Fluidtanks, wie insbesondere des Volu menstroms und/oder des Innendrucks, verschließt das Ventil, bis der Grenzwert oder die Grenzwertdifferenz wieder unter schritten wird.
Eine weitere, verbesserte Ausführungsform besteht darin, dass in der Steigleitung bzw. zur Steigleitung hin im oberen Be reich des Innenraumes ein Notventil angeordnet ist. Hierüber kann insbesondere bei einem kritischen Druckanstieg im Innen raum eine zusätzliche, fluidische Verbindung vom Innenraum des Fluidtanks in die Steigleitung hergestellt werden, über die Gase und Flüssigkeit zügig ableitbar sind. Dies ist zum Bei spiel erforderlich, wenn der untere Innenraum vereist ist und hierdurch das untere Ende der Steigleitung verschlossen ist. Bei einer vorteilhaften Variante ist das Notventil ein Über druckventil, welches beispielsweise als ein vorgespanntes, passives Überdruckventil ausgebildet ist.
Bezüglich der Lage der Bypassleitung und des Notventils ist es besonders vorteilhaft, wenn die Bypassleitung im Innenraum des Fluidtanks oberhalb des Notventils angeordnet ist. Weiterhin ist es insgesamt vorteilhaft, auch das Notventil so hoch wie möglich im Innenraum des Fluidtanks anzuordnen. Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das Notven til und/oder die Bypassleitung im Bereich oder sogar oberhalb vom Wasserabscheider angeordnet sind, so dass eine höchst mög liche Lage im gasgefüllten Volumen sichergestellt ist. Diese Ausführungsform bietet sich insbesondere an, wenn der Wasser abscheider und der Fluidtank eine geschlossene Baueinheit bil den.
Bei einer weiteren Variante ist vorgesehen, dass mindestens eine weitere Entlüftungsleitung vorgesehen ist, über welche der Innenraum fluidisch mit dem Entlassventil verbunden werden kann. Diese weitere Entlüftungsleitung weist keine direkte fluidische Verbindung zur Steigleitung auf. Das Entlassventil ist in diesem Fall als Mehrwegeventil ausgebildet.
Eine Verbesserung der vorstehend genannten Variante besteht darin, dass das als Mehrwegeventil ausgebildete Entlassventil innere Leitungswege in einer Ventilstellung aufweist, bei wel cher eine fluidische Verbindung zwischen dem Innenraum des Fluidtanks und der Steigleitung herstellbar ist. Über diese Stellung ist ein Druckausgleich zwischen Steigleitung und In nenraum über das Entlassventil möglich.
Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Entlassven til derartige, innere Leitungswege in einer Ventilstellung aufweist, bei welcher eine Leitungsverbindung zwischen Innen raum des Fluidtanks und der zentralen Ablaufleitung bei zeit gleichem Verschluss der Steigleitung hergestellt werden kann. Diese Ventilstellung ermöglich ein direktes, schnelles Purging des Innenraums auch dann, wenn die Steigleitung ggf. noch mit Fluid gefüllt, welches nicht abgeleitet werden soll oder wenn diese vereist ist. Vorteilhafterweise kann bei dieser Ausfüh rungsform die Bypassleitung im Innenraum des Fluidtanks ent fallen. Weiterhin kann ebenfalls das Notventil entfallen, weil es zum Betriebsstart bis zum Auftauen des Eises hinreichend ist, wenn eine reine Gasausleitung (reines Purging) vorgenom men wird, während der Fluidtank noch weitestgehend mit Eis und Wasser gefüllt ist. Es ist somit insgesamt auch ein wirtschaftlicher Vorteil, wenn bei allen genannten Ausführungsformen und -Varianten für die Ab- oder Ausleitung von Gasen und/oder Wasser aus dem Anoden gaskreislauf keine zwei separaten Ventile mit den jeweils zu gehörigen Leitungen vorgesehen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennstoff zelle und zur Ausleitung von Gasen, und/oder Flüssigkeiten, aus einem Anodengaskreislauf, umfasst, dass die Gase und/oder Flüssigkeiten über eine Gaszuleitung stromabwärts der Brenn stoffzelle einem Wasserabscheider zugeführt wird und abge schiedene Flüssigkeit, insb. Wasser (H20), in einen Fluidtank abgeleitet wird. Bei diesem Betrieb sind die folgenden Schrit te umfasst:
- mindestens teilweises Entleeren des Fluidtanks über ein Ent lassventil,
- mindestens teilweise Ausleitung des Gases aus dem Anodengas kreislauf und Einleitung von Reingas (H2) in den Anodenkreis lauf.
Dabei ist der Kern dieses erfindungsbemäßen Verfahrens, dass die Ausleitung von Gasen aus dem Anodengaskreislauf und/oder die Ausleitung von Flüssigkeiten aus dem Fluidtank über das selbe Entlassventil erfolgt. Hierbei ist das Entlassventil im oberen Bereich und/oder oberhalb von der Oberseite des Fluid tanks angeordnet. Dies bedeutet, dass das Fluid (Wasser oder Gas) zum Ableiten aus dem Fluidtank nach oben geleitet werden kann, wo auch das Entlassventil angeordnet ist.
Der große Vorteil besteht darin, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb nie Flüssigkeit unmittelbar am Ventil ansteht und beim Prozessstillstand eine Eisbildung nicht zum Einfrieren des Entlassventils führen kann. Weiterhin wird die Prozessführung durch das nur eine Entlassventil vereinfacht.
Bei einer verbesserten Verfahrensvariante drückt das Gas im Entleerungsschritt vorhandene Flüssigkeit in einem ersten Teilschritt vor sich her, durch das Entlassventil hindurch. In einem nachfolgenden zweiten Teilschritt wird dann der Anteil an abzuleitendem Gas durch das Entlassventil geleitet.
Vorteilhafterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Ausführungsform oder eine Kombination von Ausführungsfor men der vorstehend beschriebenen Gasmanagementvorrichtung zum Konditionieren von Anodengas einer Brennstoffzelle verwendet.
Bei einer verbesserten Ausführungsform des Verfahrens ist ein Notentlassschritt vorgesehen, bei welchem im Falle eines über mäßigen Druckanstieges und/oder einer Vereisung im unteren Be reich des Innenraumes, ein Notventil im oberen Bereich des In nenraums geöffnet und vorhandene Fluide vom Innenraum über die Steigleitung und das Entlassventil abgeleitet werden. Im Re gelfall erfolgt die Ableitung in stromabwärts zum Entlassven til angeordnete Ablaufleitung.
Eine weitere Verbesserung des Verfahrens besteht darin, dass die Bypassleitung beim Überschreiten mindestens eines Grenz wertes in der Steigleitung, wie des Innendrucks und/oder des Volumenstroms, verschlossen wird. Vorteilhafterweise wird für diesen Verschluss ein passives Rückschlag- und/oder Überdruck ventil verwendet. Hierdurch wird verhindert, dass beim Ablas sen des Wassers oder dem Purging ein übermäßiger Rückfluss in den Innenraum des Fluidtanks erfolgt, wodurch die Zeiten für diese Schritte (Entleerung von Wasser und Entlassen von Gas) verkürzt werden.
Es soll vorliegend unter Fluid ein Gas oder eine Flüssigkeit verstanden werden, wenn kein anderer Hinweis erfolgt. Weiter hin ist es für den Fachmann unmittelbar verständlich, dass ab hängig von Prozessphasen und Prozessorten die „Gase" unter schiedliche Zusammensetzungen und Konzentration an Gasinhalts stoffen und Wassergehalte aufweisen. Diese Zusammenhänge sind im Stand der Technik bekannt. Daher wird zur Vereinfachung nur der Begriff „Gas" bzw. „Gase" verwendet, worunter immer orts abhängig und abhängig vom Verfahrensschritt das jeweilige Gas oder -gemisch zu verstehen ist, es sei denn, es ist ausdrück lich etwas unterschiedliches genannt.
In der folgenden Figurenbeschreibung sind gleiche Teile in den verschiedenen Zeichnungsfiguren stets mit den gleichen Bezugs zeichen versehen, sodass nicht zu jeder Zeichnungsfigur alle Bezugszeichen erneut erläutert werden müssen.
In der vorliegenden Anmeldung ist die Anordnung relativ zur Raumlagen bedeutsam, so dass Angabe von „oben", „oberhalb", „oberer", „unten", „unterhalb" oder „unterer" sich auf die allgemeine Horizontale oder Vertikale nach der Schwerkraft be ziehen. Weiterhin sind bei Angaben der Ausrichtung der erfin dungsgemäßen Vorrichtung immer diejenige Lage und Ausrichtung zu verstehen, die sich beim bestimmungsgemäßen Betrieb und/oder der bestimmungsgemäßen Einbausituation ergibt, wenn nicht ausdrücklich etwas unterschiedliches hierzu ausgeführt wird.
Nachstehend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Ver fahren anhand von schematischen Darstellungen beispielhaft be schrieben. Diese sind sehr vereinfacht und insbesondere sind aus Übersichtlichkeitsgründen nötige und übliche Elemente nicht dargestellt, wie beispielsweise Steuer-/Regeleinheit, Strom- und Datenleitungen, Sensoren (Druck, Füllstand, Tempe ratur, etc.), weitere Ventile, Pnumatikelemente, uvm., wobei diese zwingend bzw. bedarfsweise vorzusehen sind. Es zeigt
Fig. 1 ein sehr vereinfachtes Prozessfließbild als Stand der Technik,
Fig. 2 die erfindungsgemäße Gasmanagementvorrichtung als Schnittdarstellung,
Fig. 3 die Gasmanagementvorrichtung nach Fig. 1 in einem ersten Verfahrenszustand, bei einer ersten Ventil stellung, Fig. 4 die Gasmanagementvorrichtung nach Fig. 1 in einem zweiten Verfahrenszustand, bei einer zweiten Ventil stellung,
Fig. 5 die Gasmanagementvorrichtung nach Fig. 1 in einem weiteren Verfahrenszustand, bei der Ventilstellung nach Fig. 4,
Fig. 6 die Gasmanagementvorrichtung mit einem Entlassventil, das als Mehrwegeventil ausgebildet ist,
Fig. 7 die Gasmanagementvorrichtung mit einem Entlassventil, das als ein weiteres Mehrwegeventil ausgebildet ist in einer ersten Ventilstellung,
Fig. 8 die Gasmanagementvorrichtung nach Fig. 7 in einer weiteren Ventilstellung,
Fig. 9 die Gasmanagementvorrichtung nach Fig. 7 und Fig. 8 in dritten Ventilstellung und
Fig. 10 die Gasmanagementvorrichtung mit einer alternativen Anordnung der Bypassleitung und des Notventils.
In Figur 1 ist stark vereinfacht ein Prozessverlauf einer Brennstoffzelle dargestellt. Hierbei soll der Kathodenprozess abschnitt 20, links im Bild, nicht weiter betrachtet werden. Der nötige Sauerstoff (02) wird über einen Luftprozessab schnitt 30 der Brennstoffzelle 1 auf der Kathodenseite zuge leitet, wobei sich die nachfolgenden Beschreibungen insgesamt auf den Gasprozess auf der Anodengasseite beziehen.
Das Prozessgas wird aus einem Vorlagetank 16, über die Leitun gen 17 und einen Mischer 18, der bspw. als Strahlmischer aus gebildet sein kann, über die Leitung 19 der Brennstoffzelle 1 zugeleitet. Über die Leitung 20 verlässt das an H2 verarmte Gas die Brennstoffzelle 1 und wird über die Gaszuleitung 5 ei- nem Wasserabscheider 4 zugeleitet. Das entfeuchtete Gas ver lässt den Wasserabscheider 4 über die Gasableitung 6.
An der stromabwärts befindlichen Abzweigung wird über das Ven til 11 ein Teilstrom entnommen (Purgen) und über einen Lei tungsweg 21 ausgeleitet. Im Mischer 18 erfolgt die erneute Zu leitung von H2-reichem Gas, um die erforderliche H2- Gaskonzentration einzustellen. Das Prozessgas wird nachfolgend erneut in die Brennstoffzelle 1 wie vorstehend genannt über die Leitung 19 eingeleitet. Derartige Prozesse sind in vielen Ausführungen bekannt, insbesondere auch Prozesse, in denen das H2 nicht direkt als Gas, sondern als ein geeignetes H2-reiches Fluid eingeleitet wird.
In der Schnittzeichnung nach Figur 2 ist der Grundaufbau der erfindungsgemäßen Gasmanagementvorrichtung 1 zu sehen. Auf dem Fluidtank 2 ist der Wasserabscheider 4 angeordnet. Dieser kann als Zyklon, Prallabscheider oder in einer sonstigen bekannten Form ausgestaltet sein. Das Gas wird über die Gaszuleitung 5 in den Wasserabscheider 4 geleitet und verlässt diesen ent feuchtet über die Gasableitung 6 wieder. Abgeschiedenes Wasser tropft oder rinnt in den Innenraum 3 des Fluidtanks 2 und sam melt sich im unteren Bereich 3.1. Wie in Figur 2 dargestellt, ist der Fluidtank 2 circa zu einem Drittel mit Wasser gefüllt, was als schraffierte Fläche im unteren Bereich 3.1 ausgewiesen ist. Innerhalb des Innenraums 3 verläuft die Steigleitung 7, die als vertikaler Kanal ausgebildet ist. Das untere Ende 7.1 der Steigleitung 7 ist offen gegenüber dem Innenboden des Flu idtanks 2. Das obere Ende 7.2 der Steigleitung 7 ist mit einem Entlassventil 8 verbunden, das stromabwärts in eine Ablei tung 9 mündet. In dem gezeigten Beispiel ist das Entlassven til 8 als ein einfaches Sperrventil ausgebildet.
Als Verbesserung ist in dem gezeigten Beispiel unterhalb der Oberseite 2.1 des Fluidtanks 2 eine kleine Bypassleitung 12 als kleine Bohrung vorgesehen, worüber ein ständiger Druckaus gleich zwischen dem Innenraum 3 und dem Steigrohr 7 erfolgt. Das optionale Notfallventil 14 wird im Zusammenhang mit der Figur 5 im Detail erläutert. Insgesamt zeigt die Figur 1 den Betriebszustand, in dem die Brennstoffzelle 1 arbeitet und ab geschiedenes Wasser gesammelt wird. Hierbei erfolgt kein Pur ging (entlassen von H2-armem Gas) und auch keine Ableitung von flüssigem Wasser, denn das Entlassventil 8 steht in der Ver schlussStellung.
In der Figur 3 wird der nachfolgende Ausleitschritt gezeigt, und zwar das Entwässerns als erster Teilschritt der Ausleitung von Fluiden. Das Entlassventil 8 steht auf Durchleitung, so dass aufgrund des Druckgefälles zwischen Fluidtank 2 Innen druck einerseits und Ableitung 9 andererseits das Wasser (schraffierte Fläche) in der Steigleitung 7 hineingedrückt und durch das Entlassventil 8 hindurch geleitet wird. Der nötige Überdruck im inneren des Fluidtanks 2 erfolgt in bekannter Weise über die Zuleitung von H2-reichem Fluid, bspw. am Mi scher 18 (Fig. 1). Der Abscheidevorgang wird dabei nicht not wendigerweise unterbrochen, wie durch die Tropfen im Innenraum 3 angedeutet ist.
In der Figur 4 ist der zweite Teilschritt der Ausleitung ge zeigt, und zwar das Ausleiten des Gases (Purging), der dem Entwässern folgt. Das abgeschiedene Wasser ist hierbei über das Entlassventil 8 und Ableitung 9 vollständig ausgeleitet, so dass nachfolgend der Anteil an Gas, insb. H2-armes Gas, ausgeleitet wird, bis die gewünschte Purgingrate (H2- Konzentration) erreicht ist. Die Bypassleitung 12, als perma nente Öffnung zwischen Steigleitung 7 und Innenraum 3, ist hierbei unproblematisch und stellt keinen Nachteil dar, insb. wenn der Querschnitt der Bypassleitung 12 wesentlich kleiner ist, als der Querschnitt der Hauptströmungswege.
Die in der Figur 5 gezeigte Verfahrenssituation zeigt den nicht seltenen Fall, dass sich im unteren Bereich 3.1 des In nenraumes 3 Eis gebildet hat, angedeutet durch die gestrichelt gefüllte Fläche, so dass auch der bodennahe Einlass am unteren Ende 7.1 des Steigrohres 7 verschlossen ist. Das Wasser und das Gas kann aus dem Innenraum 3 nicht mehr über eine Drucker- höhung und Öffnung des Entlassventils 8 ausgeleitet werden. In diesem Fall öffnet das mit einer Feder vorgespannte Notfall ventil 14 in Richtung des Druckgefälles. Das Notfallventil 14 ist als bekanntes Überdruckventil ausgebildet und leitet in den oberen Bereich der Steigleitung 7. Alle Fluide können so über diesen weiteren Bypass vom Innenraum 3, in die Steiglei tung 7 und weiter über das Entlassventil 8 abgeleitet werden, wie mit den Pfeilen angedeutet wurde. Da Vereisungen insbeson dere bei Betriebsstillständen Vorkommen, schmilzt die Verei sung nachfolgend in kurzer Zeit, wenn die Brennstoffzelle 1 in Betrieb ist.
In Figur 6 ist eine alternative oder ergänzende Ausführungs form zu den vorherigen Beispielen gezeigt. Hierbei ist an der Oberseite 2.1 des Fluidtanks 2 mit Zugang zum Innenraum 3 eine weitere Entlüftungsleitung 13 vorgesehen und das Entlassventil 8 ist als Mehrwegeventil ausgeführt. Bei einer ersten Ventil stellung erfolgt über die inneren Leitungswege der Druckaus gleich mit der Steigleitung 7, wobei der Weg zur Ableitung 9 gesperrt ist. In der zweiten Ventilstellung des Entlassven tils 8, in der Figur 6 nicht geschaltet, würde die weitere Entlüftungsleitung 13 verschlossen und der Weg zur Ableitung 9 geöffnet. Bei dieser Ausführungsform bilden die Entlüftungs leitung 13 zusammen mit den inneren Leitungswegen des Ventils 8 eine, zur vorstehend beschriebenen Bypassleitung 12, analoge Bypassleitung.
Bei der in den Figuren 7, 8 und 9 gezeigten Ausführungsform des Entlassventils 8 als 3/3 Mehrwegeventil, sind weitere Ven tilstellungen möglich. Die gezeigte erste Ventilstellung gemäß der Figur 7, entspricht derjenigen nach Figur 6. Hierbei fin det ohne Fluidausleitung ein Druckausgleich zwischen dem In nenraum 3 und dem Steigrohr 7 statt.
Bei der zweiten Ventilstellung, in der Darstellung links von der ersten und in Figur 8 gezeigt, ist die Steigleitung 7 ver schlossen und eine Verbindung vom Innenraum 3 über die weitere Entlüftungsleitung 13 zur Ableitung 9 ist geöffnet. Dies er- laubt eine sehr schnelle und exakt dosierbare Gasausleitung (Purging).
Bei der dritten Ventilstellung, rechts von der ersten Ventil stellung, wird die weitere Entlüftungsleitung 13 verschlossen und die Verbindung von der Steigleitung 7 zur Ableitung 9 ge öffnet. Dies ist in Figur 9 gezeigt. Hierdurch wird eine schnelle und exakt dosierbare Entwässerung des Fluidtanks 2 ermöglicht.
Schließlich zeigt die Figur 10 eine besondere Einbaulage des Notfallventils 14 und der Bypassleitung 12 im Bereich bzw. auf der Höhe des Wasserabscheiders 4. In einer nichtdargestellten weiteren Aufführungsform, ist das Notfallventil 14 und/oder die Bypassleitung 12 oberhalb des Wasserabscheiders 4 k ange ordnet.
Es ist für den Fachmann unmittelbar einsichtig, dass die vor stehenden Ausführungsformen ergänzend oder kombinatorisch ge nutzt werden können.
Bezugszeichenliste
1 Gasmanagementvorrichtung
2 Fluidtank
2.1 Oberseite
2.2 Unterseite
3 Innenraum
3.1 unterer Bereich
3.2 oberer Bereich
4 Wasserabscheider
5 Gaszuleitung
6 Gasableitung
7 Steigleitung
7.1 unteres Ende
7.2 oberes Ende
8 Entlassventil
9 Ableitung (zentrale)
10 Ventil (Wasserauslassventil)
11 Ventil (Purge-Ventil)
12 Bypassleitung
13 Entlüftungsleitung
14 Notventil
15 Prozessgastank
16 Vorlagetank
17 Leitung
18 Mischer
19 Leitung
20 Kathodenprozessabschnitt
30 Luftprozessabschnitt

Claims

Patentansprüche
1. Gasmanagementvorrichtung zum Konditionieren von Anoden gas einer Brennstoffzelle (1), umfassend einen Fluidtank (2), der in der bestimmungsgemäßen Ein baulage eine Oberseite (2.1) und eine Unterseite (2.2) aufweist, sowie einen Innenraum (3), einen Wasserabscheider (4), der fluidisch mit dem Fluid tank (2) verbunden und/oder in dessen Innenraum (3) an geordnet ist, eine Gaszuleitung (5) in den Wasserabscheider (4), eine Gasableitung (6) aus dem Wasserabscheider (4), eine Steigleitung (7) für Wasser aus dem Fluidtank (3), wobei die Steigleitung (7) mit ihrem unteren Ende (7.1) mit einem unteren Bereich des Innenraums (3.1) des Flu idtanks (3) verbunden ist und/oder in diesen hinein ragt, und mit einem oberen Ende (7.2) mit einem Entlass ventil (8) verbunden ist, insbesondere mit einem außer halb des Innenraums (3) angeordneten Entlassventil (8), dadur ch ge kenn ze ichnet , da ss das Entlassventil (8) im oberen Bereich (3.2) und/oder oberhalb von der Oberseite (2.1) des Fluidtanks angeord net ist, wobei das Entlassventil (8) ausgangsseitig mit einer zentralen Ablaufleitung (9) verbindbar ist, und wobei über das selbe Entlassventil (8) im bestim mungsgemäßen Betrieb Gase und/oder Flüssigkeiten, insb. Wasser, ableitbar sind, insb. in eine zentrale Ablauf leitung (9) leitbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigleitung (7) mindestens über eine Bypass leitung (12) mit dem Innenraum (3) des Fluidtanks flui disch verbunden ist, wobei die Bypassleitung insbesonde re im oberen Bereich des Fluidtanks (2) angeordnet ist, und wobei die Bypassleitung (12) insb. eine Bohrung und/oder Öffnung in der Steigleitung ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass in der Steigleitung (7) im oberen Bereich des Innenraumes (3) ein Notventil (14) angeordnet ist, über welches eine fluidische Verbindung vom Innenraum (3) des Fluidtanks (2) in die Steigleitung (7) herstellbar ist, wobei vorteilhafterweise das Notventil (14) ein Über druckventil ist, insb. ein vorgespanntes, passives Über druckventil.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (12) im Innenraum und oberhalb des Notventils (14) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (12) mit einem Ventil versehen ist, insbesondere einem passiven Rück schlag- und/oder Überdruckventil, welches im Dauerzu stand geöffnet ist und ab einem Grenzwert des Volumen stroms- und/oder des Innendrucks in der Steigleitung (7) die Bypassleitung (12) verschließt.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mind. eine weitere Entlüftungslei tung (13) vorgesehen ist, über welche der Innenraum (3) fluidisch mit dem Entlassventil (8) verbunden werden kann, wobei die weitere Entlüftungsleitung (13) keine direkte fluidische Verbindung zur Steigleitung (7) auf weist, und wobei das Entlassventil (13) ein Mehrwegeven til ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Entlassventil (8) innere Leitungswege in einer Ventilstellung aufweist, bei welcher eine fluidische Verbindung zwischen dem Innenraum (3) des Fluidtanks (2) und der Steigleitung (7) herstellbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, dass das Entlassventil (8) innere Leitungswege in einer Ventilstellung aufweist, bei welcher eine Lei tungsverbindung zwischen Innenraum (3) des Fluidtanks
(2) und der zentralen Ablaufleitung (9) bei zeitgleichem Verschluss der Steigleitung (7) (deren Innenraum) herge stellt werden kann.
9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ableitung von Gasen und/oder Wasser keine mindestens zwei separaten Venti le (10, 11) mit zugehörigen Leitungen vorgesehen sind.
10. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle und Aus leitung von Gasen, und/oder Flüssigkeiten, aus einem Anodengaskreislauf, wobei die Gase und/oder Flüssigkei ten über eine Gaszuleitung (5) stromabwärts einer Brenn stoffzelle (1) einem Wasserabscheider (4) zugeführt wird und abgeschiedene Flüssigkeit, insb. Wasser (H20) in ei nem Fluidtank (2) abgeleitet wird, umfassend die Schrit te
- mindestens teilweises Entleeren des Fluidtanks (2) über ein Entlassventil (8),
- mindestens teilweise Ausleitung des Gases aus dem Ano dengaskreislauf und Einleitung von Reingas (H2) in den Anodenkreislauf, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausleitung von Gasen aus dem Anodengaskreislauf und/oder die Ausleitung von Flüssigkeiten aus dem Fluid tank über das selbe Entlassventil (8) erfolgt, wobei das Entlassventil (8) im oberen Bereich (3.1) und/oder ober halb von der Oberseite (2.2) des Fluidtanks (2) angeord net ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas im Entleerungsschritt vorhandene Flüssigkeit in einem ersten Teilschritt vor sich her durch das Entlass ventil drückt und in einem zweiten Teilschritt der An teil an abzuleitendem Gas durch das Entlassventil gelei tet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem der An sprüche 1 bis 7 verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Notentlassschritt vorgesehen ist, bei welchem im Falle eines übermäßigen Druckanstie ges und/oder einer Vereisung im unteren Bereich (3.1) des Innenraumes (3), ein Notventil (14) im oberen Be reich des Innenraums (3) geöffnet und vorhandene Fluide vom Innenraum (3) über die Steigleitung und das Entlass ventil (8) abgeleitet wird, insbesondere in die zentrale Ablaufleitung geleitet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (12) beim Über schreiten mindestens eines Grenzwertes des Innendrucks oder des Volumenstroms im der Steigleitung verschlossen wird, insbesondere durch ein passives Rückschlag- und/oder Überdruckventil verschlossen wird.
EP22711947.6A 2021-03-09 2022-03-08 Gasmanagementvorrichtung und verfahren zum konditionieren von anodengas einer brennstoffzelle Pending EP4305694A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021105669.1A DE102021105669A1 (de) 2021-03-09 2021-03-09 Gasmanagementvorrichtung und Verfahren zum Kondtionieren von Anodengas einer Brennstoffzelle
PCT/EP2022/055903 WO2022189437A1 (de) 2021-03-09 2022-03-08 Gasmanagementvorrichtung und verfahren zum konditionieren von anodengas einer brennstoffzelle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4305694A1 true EP4305694A1 (de) 2024-01-17

Family

ID=80928557

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP22711947.6A Pending EP4305694A1 (de) 2021-03-09 2022-03-08 Gasmanagementvorrichtung und verfahren zum konditionieren von anodengas einer brennstoffzelle

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20240142054A1 (de)
EP (1) EP4305694A1 (de)
JP (1) JP2024512408A (de)
KR (1) KR20230155487A (de)
CN (1) CN117529834A (de)
DE (1) DE102021105669A1 (de)
WO (1) WO2022189437A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102023100238A1 (de) 2023-01-05 2024-07-11 Hengst Se Aufbereitungsvorrichtung zum Aufbereiten einer Gasströmung
DE102023135394A1 (de) 2023-12-15 2025-06-18 Hengst Se Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008090430A1 (en) * 2007-01-22 2008-07-31 Nissan Motor Co., Ltd. Drainage apparatus for fuel cell system generation water

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005327665A (ja) * 2004-05-17 2005-11-24 Toyota Motor Corp 気液分離システム
JP2006147455A (ja) * 2004-11-24 2006-06-08 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム用バルブおよび燃料電池システム
JP5050529B2 (ja) * 2007-01-22 2012-10-17 日産自動車株式会社 排水装置
JP5050528B2 (ja) * 2007-01-22 2012-10-17 日産自動車株式会社 排水装置
JP5126572B2 (ja) * 2007-04-13 2013-01-23 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
DE102012020280A1 (de) 2012-10-17 2013-11-28 Daimler Ag Wasserabscheider für einen Anodenkreislauf
US9437890B2 (en) * 2013-06-25 2016-09-06 Ford Global Technologies, Llc Purge assembly for a fuel cell system
JP6222192B2 (ja) * 2014-11-14 2017-11-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2018026223A (ja) * 2016-08-09 2018-02-15 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
DE102016222250A1 (de) 2016-11-14 2018-05-17 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Anordnung zum Abscheiden und Bevorraten von Wasser in einem Brennstoffzellensystem
JP7063724B2 (ja) * 2018-05-25 2022-05-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム用の排気排水ユニット
DE102023135394A1 (de) * 2023-12-15 2025-06-18 Hengst Se Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008090430A1 (en) * 2007-01-22 2008-07-31 Nissan Motor Co., Ltd. Drainage apparatus for fuel cell system generation water

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022189437A1 (de) 2022-09-15
DE102021105669A1 (de) 2022-09-15
JP2024512408A (ja) 2024-03-19
CN117529834A (zh) 2024-02-06
DE102021105669A8 (de) 2022-12-01
KR20230155487A (ko) 2023-11-10
US20240142054A1 (en) 2024-05-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69413248T2 (de) Anti-gasblockierung einer füllvorrichtung für einen flüssigkeitsbehälter
DE10296418B4 (de) Flüssigkraftstoffabscheider
EP2822609B1 (de) Chirurgischer sterilisierbehälter mit fluidextraktionsvorrichtung
EP4305694A1 (de) Gasmanagementvorrichtung und verfahren zum konditionieren von anodengas einer brennstoffzelle
EP0931207B1 (de) Schmieröleinfülleitung eines verbrennungsmotors mit ölnebelabscheider
DE3030288C2 (de) Vorrichtung zum Entlüften von Kraftstoffbehältern, insbesondere für Kraftfahrzeuge
EP2822608B1 (de) Chirurgische sterilisierbehälterwanne mit kondensatableitung
EP0787099A1 (de) Einrichtung zur belüftung eines flüssigkeitsbehälters
DE102020210480A1 (de) Schmiermittelpumpe
DE10036462A1 (de) Befüllsystem für Mehrfachbehälter
DE10233350A1 (de) Behälterkombination mit einer zwei Kanäle besitzenden Verbindung zwischen den Behältern
WO2020200736A1 (de) Tankanlage für ein kraftfahrzeug
DE102021214241A1 (de) Verfahren zum Herstellen einer Abscheidevorrichtung, Verwendung einer Variante eines variablen Wandungselements, Kombination aus mehreren Wandungselementen und Abscheidevorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeit aus einem Fluidstrom
EP2094902A1 (de) Dampfbügeleisen
DE102019104000A1 (de) Flugzeugstrukturbauteil mit Flugzeugskelettbauteil und Fluidleitungsbauteil
DE102015115077B4 (de) Getränkezubereitungsvorrichtung, System sowie Betriebsverfahren
DE19951248C1 (de) Vorrichtung zum Zuführen eines flüssigen Reinigungsmittels und zum Zu- und Abführen eines gasförmigen Mittels an einem Flüssigkeitstank, insbesondere Biertank
DE102006006931A1 (de) Filterpatrone zum Einsetzen in einen Wasservorratstank
DE102005048696B4 (de) Behälter mit Filtereinsatz
DE2303244B2 (de) Vorrichtung zum Nachfüllen einer Zelle einer Batterie
DE29507730U1 (de) Infusionsgerät
DE102010005778A1 (de) Vorrichtung zum selbsttätigen Verschließen eines Zulaufes eines Behälters zur Aufnahme einer Flüssigkeit und Abscheidevorrichtung
EP3378829B1 (de) Tank mit entlüftung
DE3001725C2 (de) Latentwärmespeicher
DE102015222360B4 (de) Kraftfahrzeugbetriebsflüssigkeitstank mit Gefrierschutzvorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20230928

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20240708