WO2021094111A1 - Fuel cell system and method for purifying a recirculation path of a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
The invention relates to a fuel cell system (1) comprising a fuel cell (3) with a hydrogen recirculation path (5), wherein at least one separation unit (7) is arranged in the hydrogen recirculation path (5), which is suitable for separating nitrogen (11) from hydrogen (21). The invention also relates to a method for purifying a recirculation stream (23) of a fuel cell (3).
Description
Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Reinigung eines Rückführstroms einerFuel cell system and method for purifying a recycle stream of a
Brennstoffzelle Fuel cell
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem umfassend eine Brennstoffzelle mit einem Wasserstoffrezirkulationspfad sowie ein Verfahren zur Reinigung eines Rückführstroms einer Brennstoffzelle. The invention relates to a fuel cell system comprising a fuel cell with a hydrogen recirculation path and a method for cleaning a return flow of a fuel cell.
Stand der Technik State of the art
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt. A fuel cell is an electrochemical cell that converts the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidizing agent into electrical energy. A fuel cell is therefore an electrochemical energy converter. In known fuel cells, hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) in particular are converted into water (H 2 O), electrical energy and heat.
Unter anderem sind Protonenaustauschmembranen (Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran- Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Brennstoffzellenmembran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt. Among other things, proton exchange membranes (PEM) fuel cells are known. Proton exchange membrane fuel cells have a centrally arranged fuel cell membrane which is permeable to protons, i.e. hydrogen ions. The oxidizing agent, in particular atmospheric oxygen, is thereby spatially separated from the fuel, in particular hydrogen.
Ferner sind Festoxidbrennstoffzellen, die auch als SOFC-Brennstoffzellen bezeichnet werden, bekannt. SOFC-Brennstoffzellen besitzen eine höhere Betriebstemperatur und Abgastemperatur als PEM-Brennstoffzellen. SOFC- Brennstoffzellen finden insbesondere im stationären Betrieb Anwendung. Solid oxide fuel cells, which are also referred to as SOFC fuel cells, are also known. SOFC fuel cells have a higher operating temperature and exhaust gas temperature than PEM fuel cells. SOFC fuel cells are used in particular in stationary operation.
Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen
Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode. Fuel cells have an anode and a cathode. The fuel is fed to the anode of the fuel cell and is catalytically oxidized by releasing electrons to protons, which reach the cathode. The submitted Electrons are diverted from the fuel cell and flow to the cathode via an external circuit.
Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet: The oxidizing agent, in particular atmospheric oxygen, is supplied to the cathode of the fuel cell and reacts by absorbing electrons from the external circuit and protons to form water. The resulting water is drained from the fuel cell. The gross response is:
O2 + 4H+ + 4E — 2H2O O 2 + 4H + + 4E - 2H 2 O
Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, der auch als Stack bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden. A voltage is applied between the anode and the cathode of the fuel cell. To increase the voltage, several fuel cells can be arranged mechanically one behind the other to form a fuel cell stack, which is also referred to as a stack, and electrically connected in series.
Der Sauerstoff, der in Brennstoffzellen unter Zuhilfenahme geeigneter Katalysatoren mit Wasserstoff zu Wasser reagiert, wird in der Regel aus der Umgebungsluft extrahiert. Die restlichen Anteile der Luft sorgen für den Abtransport des entstehenden Wassers. Dies führt zu einer hohen Luftfeuchtigkeit innerhalb der Brennstoffzelle. Ein Teil des Wassers sowie ein Teil der Restbestandteile der Luft, insbesondere Stickstoff, diffundieren durch die trennende Brennstoffzellenmembran und sorgen für eine Verunreinigung des überschüssig zugeführten Wasserstoffs. The oxygen, which in fuel cells reacts with hydrogen to form water with the aid of suitable catalysts, is usually extracted from the ambient air. The remaining parts of the air ensure that the water produced is transported away. This leads to high humidity inside the fuel cell. Some of the water and some of the remaining constituents of the air, in particular nitrogen, diffuse through the separating fuel cell membrane and cause the excess hydrogen supplied to be contaminated.
Da dieser überschüssige Wasserstoff über einen Rezirkulationspfad in die Brennstoffzelle zurückgeführt werden kann, ist eine hohe Stickstoffkonzentration im rückgeführten Wasserstoff unerwünscht und kann zur Degradation der Brennstoffzelle führen. Since this excess hydrogen can be returned to the fuel cell via a recirculation path, a high nitrogen concentration in the returned hydrogen is undesirable and can lead to the degradation of the fuel cell.
Daher wird das überschüssige Gasgemisch, enthaltend im Wesentlichen den überschüssigen Wasserstoff und kleinere Mengen an Stickstoff, bei zu hohem Stickstoffanteil aus der Brennstoffzelle abgelassen, was auch als Purging bezeichnet wird. Dies führt zu erhöhtem Wasserstoffverbrauch, da im abgelassenen Gasgemisch ein hoher Volumenanteil Wasserstoff enthalten ist. Therefore, the excess gas mixture, containing essentially the excess hydrogen and smaller amounts of nitrogen, is drained from the fuel cell when the nitrogen content is too high, which is also referred to as purging. This leads to increased hydrogen consumption, since the gas mixture that has been discharged contains a high proportion of hydrogen by volume.
Im Gegensatz zum Stickstoff ist das im rezirkulierten Wasserstoff, der auch als Rückführstrom bezeichnet wird, enthaltene Wasser vorteilhaft für das
Wassermanagement innerhalb der Brennstoffzelle. Das enthaltende Wasser wird gezielt zur Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran eingesetzt. In contrast to nitrogen, the water contained in the recirculated hydrogen, which is also referred to as the recycle stream, is advantageous for the Water management within the fuel cell. The water it contains is used specifically to moisten the fuel cell membrane.
DE 20 2005 020 780 Ul beschreibt ein Fahrzeug mit einer Brennstoffzellenanlage und einem Gastank, wobei im Inneren des Gastanks Metal-Organic Framework (MOF)-Material als Speichermaterial zum Speichern des Brennstoffs angeordnet ist. DE 20 2005 020 780 U1 describes a vehicle with a fuel cell system and a gas tank, metal-organic framework (MOF) material being arranged inside the gas tank as storage material for storing the fuel.
DE 102005 056564 B4 hat eine Polymerelektrolytmembran mit Koordinationspolymer sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung und die Verwendung in einer Brennstoffzelle zum Gegenstand. Eine protonenleitfähige Membran für elektrochemische Anwendungen besteht aus einer Polymer/MOF- Mischung und ist für Hochtemperaturzellen geeignet. DE 102005 056564 B4 relates to a polymer electrolyte membrane with coordination polymer and a method for its production and use in a fuel cell. A proton conductive membrane for electrochemical applications consists of a polymer / MOF mixture and is suitable for high temperature cells.
DE 102013 008389 Al ist auf ein Filterelement gerichtet, das eine Wickellage mit wenigstens einem Adsorbens umfasst. Die Adsorbenslage kann Aktivkohlesorten, Zeolithe, Silicagele, Metalloxide wie Aluminiumoxid, Kupferoxid oder Manganoxid, Molekularsiebe wie MOFs, Schichtsilikate und Nanoclays enthalten. Das Filterelement kann in Verbindung mit einer Brennstoffzelle eingesetzt werden. DE 102013 008389 A1 is directed to a filter element which comprises a wound layer with at least one adsorbent. The adsorbent layer can contain types of activated carbon, zeolites, silica gels, metal oxides such as aluminum oxide, copper oxide or manganese oxide, molecular sieves such as MOFs, phyllosilicates and nanoclays. The filter element can be used in conjunction with a fuel cell.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Es wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, umfassend eine Brennstoffzelle mit einem Wasserstoffrezirkulationspfad, wobei in dem Wasserstoffrezirkulationspfad mindestens eine Trenneinheit angeordnet ist, die geeignet ist Stickstoff von Wasserstoff zu trennen. A fuel cell system is proposed, comprising a fuel cell with a hydrogen recirculation path, at least one separating unit being arranged in the hydrogen recirculation path which is suitable for separating nitrogen from hydrogen.
Auch wird ein Verfahren vorgeschlagen zur Reinigung eines Rückführstroms einer Brennstoffzelle umfassend die folgenden Schritte: a. Führen des Rückführstroms, umfassend Stickstoff, Wasserstoff und Wasser, von einem Auslass der Brennstoffzelle in eine Trenneinheit, wobei in der Trenneinheit in dem Rückführstrom enthaltener Stickstoff von im Rückführstrom enthaltenem
Wasserstoff abgetrennt und dem Rückführstrom entnommen wird, so dass ein gereinigter Rückführstrom entsteht, b. Rückführen des gereinigten Rückführstroms in die Brennstoffzelle. A method is also proposed for cleaning a return flow of a fuel cell, comprising the following steps: a. Passing the recycle stream, comprising nitrogen, hydrogen and water, from an outlet of the fuel cell into a separation unit, wherein in the separation unit nitrogen contained in the recycle stream from nitrogen contained in the recycle stream Hydrogen is separated off and removed from the recycle stream, so that a purified recycle stream is produced, b. Returning the purified recycle stream to the fuel cell.
Bevorzugt umfasst die mindestens eine Trenneinheit eine Membran zur Trennung von Stickstoff und Wasserstoff. Weiter bevorzugt enthält die Membran Graphen. Die Membran ist insbesondere eine poröse Graphenmembran. Graphen besteht üblicherweise aus Kohlenstoffatomen, die in Form von Bienenwaben angeordnet sind und bevorzugt eine Schicht aus genau einer Atomlage bilden. The at least one separation unit preferably comprises a membrane for separating nitrogen and hydrogen. The membrane further preferably contains graphene. The membrane is in particular a porous graphene membrane. Graphene usually consists of carbon atoms that are arranged in the form of honeycombs and preferably form a layer of exactly one atomic layer.
Die Membran, insbesondere das Graphen, weist bevorzugt Poren auf, die weiter bevorzugt eine Porengröße von weniger als 3,64 Ängström besitzen. Die Membran weist bevorzugt eine Selektivität bezügliche Wasserstoff und Stickstoff auf, die durch die Form und Größe der Poren bestimmt ist. The membrane, in particular the graphene, preferably has pores which more preferably have a pore size of less than 3.64 angstroms. The membrane preferably has a selectivity for hydrogen and nitrogen which is determined by the shape and size of the pores.
Weiterhin kann die mindestens eine Trenneinheit ein Adsorbens zur selektiven Adsorption von Stickstoff enthalten. Furthermore, the at least one separation unit can contain an adsorbent for the selective adsorption of nitrogen.
Bevorzugt ist ein Verfahren zur Reinigung des Rückführstroms der Brennstoffzelle, umfassend die folgenden Schritte: a. Führen des Rückführstroms, umfassend Stickstoff, Wasserstoff und Wasser, von dem Auslass der Brennstoffzelle in die Trenneinheit, die das Adsorbens zur selektiven Adsorption von Stickstoff enthält, wobei das Adsorbens nicht mehr als 50 Gew.-%, weiter bevorzugt nicht mehr als 25 Gew.-% des im Rückführstrom enthaltenen Wasserstoffs adsorbiert, so dass ein gereinigter Rückführstrom entsteht, b. Rückführen des gereinigten Rückführstroms in die Brennstoffzelle. Preferred is a method for cleaning the recycle stream of the fuel cell, comprising the following steps: a. Passing the recycle stream, comprising nitrogen, hydrogen and water, from the outlet of the fuel cell into the separation unit which contains the adsorbent for the selective adsorption of nitrogen, the adsorbent not more than 50% by weight, more preferably not more than 25% by weight. -% of the hydrogen contained in the recycle stream is adsorbed, so that a purified recycle stream is created, b. Returning the purified recycle stream to the fuel cell.
Unter Adsorption wird die Anlagerung von Atomen und/oder Molekülen von Flüssigkeiten und/oder Gasen an eine in der Regel feste Oberfläche verstanden. Das Gegenteil der Adsorption, also die Abgabe eines adsorbierten Stoffs, wird als Desorption bezeichnet. Unter einem Adsorbens wird ein Festkörper
verstanden, an dessen Oberfläche oder in dessen Poren die Adsorption beziehungsweise die Desorption stattfindet. Bevorzugt ist das Adsorbens porös. Die Oberfläche kann auch eine innere Oberfläche des Adsorbens sein. Flüssigkeiten und/oder Gase können in den Poren, Nanoporen und/oder Subnanoporen des Adsorbens anlagern. Adsorption is understood to mean the accumulation of atoms and / or molecules of liquids and / or gases on a generally solid surface. The opposite of adsorption, i.e. the release of an adsorbed substance, is called desorption. A solid becomes under an adsorbent understood, on the surface or in the pores of which the adsorption or desorption takes place. The adsorbent is preferably porous. The surface can also be an inner surface of the adsorbent. Liquids and / or gases can accumulate in the pores, nanopores and / or sub-nanopores of the adsorbent.
Bei einer selektiven Adsorption werden aus einem Gemisch mehrerer Komponenten einige Komponenten bevorzugt oder stärker adsorbiert als andere Komponenten des Gemischs. Bei der selektiven Adsorption von Stickstoff liegt insbesondere für Stickstoff eine größere Affinität zum Adsorbens vor als für andere im Gemisch enthaltene Stoffe, insbesondere Wasserstoff. In the case of selective adsorption, some components from a mixture of several components are adsorbed preferentially or more strongly than other components of the mixture. In the case of the selective adsorption of nitrogen, there is a greater affinity for the adsorbent, in particular for nitrogen, than for other substances contained in the mixture, in particular hydrogen.
Der Wasserstoffrezirkulationspfad dient zur Rückführung von überschüssigem Wasserstoff aus der Brennstoffzelle zurück in die Brennstoffzelle, wobei der überschüssige Wasserstoff, der mit Stickstoff verunreinigt ist, die Brennstoffzelle zunächst verlässt. Bevor der Rückführstrom, der im Wesentlichen den überschüssigen Wasserstoff enthält, der Brennstoffzelle wieder zugefügt wird, wird dieser über die mindestens eine Trenneinheit geführt, wo Stickstoff aus dem Rückführstrom zum Beispiel mittels eines Membrantrennverfahrens und/oder mittels Adsorption entfernt oder abgetrennt wird. Die Membran ist bevorzugt durchlässige für Wasserstoff, während Stickstoff von der Membran zurückgehalten wird. Das Adsorbens adsorbiert bevorzugt Stickstoff im Vergleich zu Wasserstoff. Der gereinigte Rückführstrom wird der mindestens einen Trenneinheit entnommen und der Brennstoffzelle wieder zugeführt. The hydrogen recirculation path is used to recirculate excess hydrogen from the fuel cell back into the fuel cell, the excess hydrogen, which is contaminated with nitrogen, initially leaving the fuel cell. Before the recycle stream, which essentially contains the excess hydrogen, is added to the fuel cell again, it is passed through the at least one separation unit, where nitrogen is removed or separated from the recycle stream, for example by means of a membrane separation process and / or by means of adsorption. The membrane is preferably permeable to hydrogen, while nitrogen is retained by the membrane. The adsorbent preferentially adsorbs nitrogen over hydrogen. The cleaned recycle stream is taken from the at least one separation unit and fed back to the fuel cell.
Bevorzugt sind mindestens zwei Trenneinheiten, die weiter bevorzugt jeweils die Membran und/oder das Adsorbens enthalten, im Wasserstoffrezirkulationspfad angeordnet. Besonders bevorzugt sind die mindestens zwei Trenneinheiten in paralleler Schaltung angeordnet, sodass der Rückführstrom von der Brennstoffzelle durch eine erste Trenneinheit und/oder durch eine zweite Trenneinheit geführt werden kann. At least two separation units, which more preferably each contain the membrane and / or the adsorbent, are preferably arranged in the hydrogen recirculation path. The at least two separation units are particularly preferably arranged in parallel, so that the return flow from the fuel cell can be passed through a first separation unit and / or through a second separation unit.
Zur Schaltung zwischen den mindestens zwei Trenneinheiten kann ein Wegeventil eingesetzt werden. A directional control valve can be used for switching between the at least two separation units.
Insbesondere umfasst die mindestens eine Trenneinheit eine Heizvorrichtung, die zur Erwärmung der mindestens einen Trenneinheit eingesetzt wird. Mittels
der Heizvorrichtung kann das Adsorbens zyklisch erwärmt werden, um den adsorbierten Stickstoff wieder von dem Adsorbens zu entfernen. In particular, the at least one separating unit comprises a heating device which is used to heat the at least one separating unit. Means the heating device, the adsorbent can be heated cyclically in order to remove the adsorbed nitrogen again from the adsorbent.
In einem Zyklus wird bevorzugt in Schritt a. erst der Stickstoff von dem Adsorbens adsorbiert und dann wird bevorzugt das Adsorbens erwärmt wird, so dass der Stickstoff desorbiert. Der Zyklus wird insbesondere wiederholt. In one cycle, it is preferred in step a. first the nitrogen is adsorbed by the adsorbent and then the adsorbent is preferably heated so that the nitrogen is desorbed. In particular, the cycle is repeated.
Liegen mindestens zwei Trenneinheiten in dem Brennstoffzellensystem vor, so kann jeweils mindestens eine Trenneinheit zur Entfernung des Stickstoffs aus dem Rückführstrom zur Verfügung stehen, während die zweite Trenneinheit regeneriert, insbesondere erwärmt und somit vom adsorbierten Stickstoff gereinigt, wird. If there are at least two separation units in the fuel cell system, at least one separation unit can be available for removing the nitrogen from the recycle stream, while the second separation unit is regenerated, in particular heated and thus cleaned of adsorbed nitrogen.
Vorteilhaft umfasst die mindestens eine Trenneinheit ein Rohr. Insbesondere istdas Adsorbens als Beschichtung auf einer Innenseite des Rohrs ausgeführt. Die benötigte Länge des Rohrs ist üblicherweise abhängig von der Adsorptionsrate des Adsorbens bezüglich Stickstoff, dem Rohrdurchmesser, der Strömungsgeschwindigkeit des Rückführstroms im Rezirkulationspfad sowie der Diffusionsgeschwindigkeit von Stickstoff. The at least one separating unit advantageously comprises a tube. In particular, the adsorbent is designed as a coating on an inside of the tube. The required length of the pipe is usually dependent on the adsorption rate of the adsorbent with respect to nitrogen, the pipe diameter, the flow rate of the return flow in the recirculation path and the diffusion rate of nitrogen.
Das Adsorbens weist insbesondere einen höheren Adsorptionskoeffizienten k bezüglich Stickstoff als bezüglich Wasserstoff auf, so dass Stickstoff im Vergleich zu Wasserstoff selektiv adsorbiert wird. Der Adsorptionskoeffizient k ist ein Maß für die Verteilung eines Stoffs an der Grenzfläche zwischen Adsorbens und Umgebung im Adsorptionsgleichgewicht. Der Adsorptionskoeffizient k wird üblicherweise ausgedrückt als Koeffizient der Konzentration des adsorbierten Stoffes zur Konzentration des Stoffs in der das Adsorbens umgebenden fluiden Phase, die gasförmig und/oder flüssig sein kann: k = Cad/Cf| In particular, the adsorbent has a higher adsorption coefficient k with respect to nitrogen than with respect to hydrogen, so that nitrogen is selectively adsorbed compared to hydrogen. The adsorption coefficient k is a measure of the distribution of a substance at the interface between the adsorbent and the environment in adsorption equilibrium. The adsorption coefficient k is usually expressed as the coefficient of the concentration of the adsorbed substance in relation to the concentration of the substance in the fluid phase surrounding the adsorbent, which can be gaseous and / or liquid: k = Cad / Cf |
Bevorzugt umfasst das Adsorbens eine metallorganische Gerüstverbindung (MOF), insbesondere besteht das Adsorbens aus einer metallorganischen Gerüstverbindung. The adsorbent preferably comprises an organometallic framework compound (MOF), in particular the adsorbent consists of an organometallic framework compound.
Metallorganische Gerüstverbindungen werden auch als metallorganische Gerüste oder metal-organic framework bezeichnet. Es handelt sich um
mikroporöse Materialien, die aus anorganischen Baueinheiten, den sogenannten secondary building units, und organischen Molekülen, die auch als linker bezeichnet werden, als Verbindungselemente zwischen den anorganischen Baueinheiten aufgebaut sind. Organometallic framework compounds are also referred to as organometallic frameworks or metal-organic framework. It is a matter of microporous materials that are built up from inorganic building units, the so-called secondary building units, and organic molecules, which are also referred to as linkers, as connecting elements between the inorganic building units.
Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist sowohl in stationären Anwendungen und/oder in mobilen Anwendungen wie Fahrzeugen einsetzbar. The fuel cell system according to the present invention can be used both in stationary applications and / or in mobile applications such as vehicles.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Mittels der mindestens einen Trenneinheit wird unerwünschter Stickstoff aus dem Rückführstrom, der überschüssigen Wasserstoff in die Brennstoffzelle zurückführt und der Wasserstoff, Wasser und Stickstoff enthält, entfernt. Ein Ablassen von überschüssigem Wasserstoff, das zu einem erhöhten Wasserstoffbedarf führt, kann vermieden werden. Dadurch kann die Effizienz des Gesamtsystems erhöht werden. By means of the at least one separation unit, undesired nitrogen is removed from the recycle stream, which returns excess hydrogen into the fuel cell and which contains hydrogen, water and nitrogen. Discharge of excess hydrogen, which leads to an increased hydrogen requirement, can be avoided. This can increase the efficiency of the overall system.
Insbesondere ein Brennstoffzellensystem mit mindestens zwei Trenneinheiten ist vorteilhaft, da durch eine Wechselschaltung zwischen der ersten Trenneinheit und der zweiten Trenneinheit ein kontinuierlicher Betrieb des Brennstoffzellensystems mit regelmäßiger Regeneration der Trenneinheit und insbesondere Desorption des aus dem Rückführstrom entfernten Stickstoffs vom Adsorbens möglich ist. In particular, a fuel cell system with at least two separation units is advantageous because an alternating circuit between the first separation unit and the second separation unit enables continuous operation of the fuel cell system with regular regeneration of the separation unit and, in particular, desorption of the nitrogen removed from the return flow from the adsorbent.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems, Figure 1 is a schematic representation of a fuel cell system,
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Schaltung mit zweiFigure 2 is a schematic representation of a circuit with two
Trenneinheiten und
Figur 3 eine Querschnittsansicht einer Trenneinheit. Separation units and Figure 3 is a cross-sectional view of a separation unit.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar. In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, a repeated description of these elements in individual cases being dispensed with. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.
Figur 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1, das eine Brennstoffzelle 3 mit einem Wasserstoffrezirkulationspfad 5 aufweist. In dem Wasserstoffrezirkulationspfad 5 ist eine Trenneinheit 7 angeordnet, die ein Adsorbens 9 enthält. Das Adsorbens 9 weist eine hohe Affinität gegenüber Stickstoff 11 im Vergleich zu Wasserstoff 21 auf. FIG. 1 shows a fuel cell system 1 which has a fuel cell 3 with a hydrogen recirculation path 5. A separation unit 7, which contains an adsorbent 9, is arranged in the hydrogen recirculation path 5. The adsorbent 9 has a high affinity for nitrogen 11 compared to hydrogen 21.
Auf einer Seite einer Brennstoffzellenmembran 31 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff 21 der Brennstoffzelle 3 zugeführt. An einem Auslass 27 wird überschüssiger Wasserstoff 21 der Brennstoffzelle 3 entnommen und ein Rückführstrom 23, der größtenteils Wasserstoff 21, aber auch Stickstoff 11 und Wasser 25 enthält, der Trenneinheit 7 zugeführt. On one side of a fuel cell membrane 31 of the fuel cell 3, hydrogen 21 is supplied to the fuel cell 3. Excess hydrogen 21 is withdrawn from fuel cell 3 at an outlet 27 and a recycle stream 23, which for the most part contains hydrogen 21, but also nitrogen 11 and water 25, is fed to separation unit 7.
In der Trenneinheit 7 kommt der Rückführstrom 23 mit dem Adsorbens 9 in Kontakt, wobei Stickstoff 11 vom Adsorbens 9 adsorbiert wird. Im Wesentlichen Wasserstoff 21 und Wasser 25 verlassen die Trenneinheit 7 als ein gereinigter Rückführstrom 29. Der gereinigte Rückführstrom 29 wird der Brennstoffzelle 3 wieder zugeführt. In the separation unit 7, the recycle stream 23 comes into contact with the adsorbent 9, nitrogen 11 being adsorbed by the adsorbent 9. Essentially hydrogen 21 and water 25 leave the separation unit 7 as a purified recycle stream 29. The purified recycle stream 29 is fed back to the fuel cell 3.
Figur 2 zeigt eine Schaltung mit zwei Trenneinheiten 7. Der Rückführstrom 23 erreicht ein Wegeventil 33, durch das eine Wechselschaltung zwischen den parallel angeordneten Trenneinheiten 7, 35, 37 erfolgen kann. Der Rückführstrom 23 wird über das Wegeventil 33 einer ersten Trenneinheit 35 oder einer zweiten Trenneinheit 37 zugeführt. Wird der Rückführstrom 23 der ersten Trenneinheit 35 zugeführt, so verlässt der gereinigte Rückführstrom 29 die erste Trenneinheit 35 und erreicht ein zweites Wegeventil 41. Vom zweiten Wegeventil 41 wird der gereinigte Rückführstrom 29 wieder der Brennstoffzelle 3 zugeführt.
Während der Rückführstrom 23 der ersten Trenneinheit 35 zugeführt wird, wird die zweite Trenneinheit 37 erwärmt, um bereits adsorbierten Stickstoff 11 zu desorbieren. Ein desorbierter Stickstoffstrom 12, der Stickstoff 11 enthält, wird zu einem dritten Wegeventil 43 geführt und kann über das dritte Wegeventil 43 aus dem Brennstoffzellensystem 1 entfernt werden. FIG. 2 shows a circuit with two separating units 7. The return flow 23 reaches a directional control valve 33, by means of which a changeover between the separating units 7, 35, 37 arranged in parallel can take place. The return flow 23 is fed to a first separating unit 35 or a second separating unit 37 via the directional control valve 33. If the return flow 23 is fed to the first separation unit 35, the cleaned return flow 29 leaves the first separation unit 35 and reaches a second directional control valve 41. The cleaned return flow 29 is fed back to the fuel cell 3 from the second directional control valve 41. While the recycle stream 23 is fed to the first separation unit 35, the second separation unit 37 is heated in order to desorb nitrogen 11 which has already been adsorbed. A desorbed nitrogen stream 12 containing nitrogen 11 is fed to a third directional valve 43 and can be removed from the fuel cell system 1 via the third directional valve 43.
Figur 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Trenneinheit 7, die als Rohr 15 ausgeführt ist. Auf einer Innenseite 19 des Rohrs 15 befindet sich eine Beschichtung 17, die das Adsorbens 9 enthält. Ferner weist die Trenneinheit 7 eine Heizvorrichtung 13 auf. FIG. 3 shows a cross-sectional view of a separating unit 7, which is designed as a tube 15. A coating 17 which contains the adsorbent 9 is located on an inner side 19 of the tube 15. The separating unit 7 also has a heating device 13.
Der Rückführstrom 23, der Wasserstoff 21, Stickstoff 11 und Wasser 25 enthält, wird dem Rohr 15 zugeführt. In dem Rohr 15 wird Stickstoff 11 in der Beschichtung 17 an das Adsorbens 9 angelagert, während Wasserstoff 21 mit Wasser 25 das Rohr 15 als gereinigter Rückführstrom 29 wieder verlässt und in die Brennstoffzelle 3 zurückgeführt wird. The recycle stream 23, which contains hydrogen 21, nitrogen 11 and water 25, is fed to the pipe 15. In the pipe 15, nitrogen 11 is deposited in the coating 17 on the adsorbent 9, while hydrogen 21 with water 25 leaves the pipe 15 again as a purified recycle stream 29 and is returned to the fuel cell 3.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, a large number of modifications are possible within the range specified by the claims, which are within the scope of expert action.
Claims
1. Brennstoffzellensystem (1) umfassend eine Brennstoffzelle (3) mit einem Wasserstoffrezirkulationspfad (5), wobei in dem Wasserstoffrezirkulationspfad (5) mindestens eine Trenneinheit (7) angeordnet ist, die geeignet ist Stickstoff (11) von Wasserstoff (21) zu trennen. 1. A fuel cell system (1) comprising a fuel cell (3) with a hydrogen recirculation path (5), at least one separating unit (7) which is suitable for separating nitrogen (11) from hydrogen (21) is arranged in the hydrogen recirculation path (5).
2. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Trenneinheit (7) eine Membran zur Trennung von Stickstoff (11) und Wasserstoff (21) umfasst. 2. Fuel cell system (1) according to claim 1, characterized in that the at least one separation unit (7) comprises a membrane for separating nitrogen (11) and hydrogen (21).
3. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran Graphen enthält. 3. Fuel cell system (1) according to claim 2, characterized in that the membrane contains graphene.
4. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Trenneinheit (7) ein Adsorbens (9) zur selektiven Adsorption von Stickstoff (11) enthält. 4. Fuel cell system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one separating unit (7) contains an adsorbent (9) for the selective adsorption of nitrogen (11).
5. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Trenneinheiten (7) in dem Wasserstoffrezirkulationspfad (5) angeordnet sind. 5. Fuel cell system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least two separation units (7) are arranged in the hydrogen recirculation path (5).
6. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Trenneinheit (7) eine Heizvorrichtung (13) umfasst. 6. Fuel cell system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one separating unit (7) comprises a heating device (13).
7. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Trenneinheit (7) ein Rohr (15) umfasst und das Adsorbens (9) als eine Beschichtung (17) auf einer Innenseite (19) des Rohrs (15) ausgeführt ist.
7. Fuel cell system (1) according to one of claims 4 to 6, characterized in that the at least one separation unit (7) comprises a tube (15) and the adsorbent (9) as a coating (17) on an inside (19) of the Rohrs (15) is executed.
8. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbens (9) einen höheren Adsorptionskoeffizienten k bezüglich Stickstoff (11) als bezüglich Wasserstoff (21) aufweist. 8. Fuel cell system (1) according to one of claims 4 to 7, characterized in that the adsorbent (9) has a higher adsorption coefficient k with respect to nitrogen (11) than with respect to hydrogen (21).
9. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbens (9) eine metallorganische Gerüstverbindung (MOF) umfasst. 9. Fuel cell system (1) according to one of claims 4 to 8, characterized in that the adsorbent (9) comprises an organometallic framework compound (MOF).
10. Verfahren zur Reinigung eines Rückführstroms (23) einer Brennstoffzelle10. A method for cleaning a recycle stream (23) of a fuel cell
(3) umfassend die folgenden Schritte: a. Führen des Rückführstroms (23), umfassend Stickstoff (11), Wasserstoff (21) und Wasser (25), von einem Auslass (27) der Brennstoffzelle (3) in eine Trenneinheit (7), wobei in der Trenneinheit (7) in dem Rückführstrom (23) enthaltener Stickstoff (11) von im Rückführstrom (23) enthaltenem Wasserstoff (21) abgetrennt und dem Rückführstrom (23) entnommen wird, so dass ein gereinigter Rückführstrom (29) entsteht, b. Rückführen des gereinigten Rückführstroms (29) in die Brennstoffzelle (3).
(3) comprising the following steps: a. Passing the recycle stream (23), comprising nitrogen (11), hydrogen (21) and water (25), from an outlet (27) of the fuel cell (3) into a separation unit (7), wherein in the separation unit (7) in the Nitrogen (11) contained in the recycle stream (23) is separated off from the hydrogen (21) contained in the recycle stream (23) and removed from the recycle stream (23) so that a purified recycle stream (29) is formed, b. Returning the purified recycle stream (29) to the fuel cell (3).
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030039870A1 (en) * | 2001-08-02 | 2003-02-27 | Ilona Busenbender | Fuel cell system and method of operation |
| JP2004146312A (en) * | 2002-08-26 | 2004-05-20 | Atsushi Tominaga | Safe supply method of hydrogen for fuel cell |
| DE202005020780U1 (en) | 2005-12-23 | 2007-04-26 | Robert Bosch Gmbh | Vehicle, has pressure gas tank in the form of prism or cuboid, and metal organic framework that is arranged inside pressure gas tank for storing gaseous fuel, where contour of gas tank is adapted to hollow space and contour of vehicle |
| DE102005056564B4 (en) | 2005-11-25 | 2009-11-12 | Gkss-Forschungszentrum Geesthacht Gmbh | Polymer electrolyte membrane with coordination polymer, process for its preparation and use in a fuel cell |
| DE102013008389A1 (en) | 2013-05-17 | 2014-11-20 | Mann + Hummel Gmbh | Filter element, in particular air filter element, and filter system with a filter element |
| DE102015209115A1 (en) * | 2015-05-19 | 2016-11-24 | Volkswagen Ag | The fuel cell system |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7279245B1 (en) * | 2002-12-09 | 2007-10-09 | Lockheed Martin Corporation | System for removal of inerts from fuel cell reactants |
| US20040197616A1 (en) * | 2003-04-01 | 2004-10-07 | Edlund David J. | Oxidant-enriched fuel cell system |
| WO2008057140A2 (en) * | 2006-04-14 | 2008-05-15 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Rapid metal organic framework molecule synthesis method |
| US8715395B2 (en) * | 2007-09-14 | 2014-05-06 | University Of North Texas | Fluorinated metal-organic frameworks for hydrocarbon storage |
| WO2016179567A1 (en) * | 2015-05-06 | 2016-11-10 | The Regents Of The University Of California | Nanostructured composites for gas separation and storage |
-
2019
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-
2020
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030039870A1 (en) * | 2001-08-02 | 2003-02-27 | Ilona Busenbender | Fuel cell system and method of operation |
| JP2004146312A (en) * | 2002-08-26 | 2004-05-20 | Atsushi Tominaga | Safe supply method of hydrogen for fuel cell |
| DE102005056564B4 (en) | 2005-11-25 | 2009-11-12 | Gkss-Forschungszentrum Geesthacht Gmbh | Polymer electrolyte membrane with coordination polymer, process for its preparation and use in a fuel cell |
| DE202005020780U1 (en) | 2005-12-23 | 2007-04-26 | Robert Bosch Gmbh | Vehicle, has pressure gas tank in the form of prism or cuboid, and metal organic framework that is arranged inside pressure gas tank for storing gaseous fuel, where contour of gas tank is adapted to hollow space and contour of vehicle |
| DE102013008389A1 (en) | 2013-05-17 | 2014-11-20 | Mann + Hummel Gmbh | Filter element, in particular air filter element, and filter system with a filter element |
| DE102015209115A1 (en) * | 2015-05-19 | 2016-11-24 | Volkswagen Ag | The fuel cell system |
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