WO2022200319A1 - Vorrichtung zum abscheiden und sammeln von wasser aus einem gasstrom, brennstoffzellensystem sowie verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Vorrichtung zum abscheiden und sammeln von wasser aus einem gasstrom, brennstoffzellensystem sowie verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems Download PDF

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Wolfgang Sander
Martin Katz
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Robert Bosch Gmbh
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    • B01D53/265—Drying gases or vapours by refrigeration (condensation)
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    • H01M8/04126—Humidifying

Definitions

  • the invention relates to a device for separating and collecting water from a gas flow.
  • the gas flow can in particular be air which emerges from at least one fuel cell during operation of a fuel cell system.
  • the device is therefore preferably used in a fuel cell system.
  • the invention therefore also relates to a fuel cell system with a device according to the invention and a method for operating a fuel cell system in which a device according to the invention for separating and collecting water from a gas stream is used.
  • Fuel cells convert a fuel, such as hydrogen, and oxygen into electrical energy, heat, and water.
  • Air in particular ambient air, can serve as the oxygen supplier.
  • the air is supplied to a cathode of the fuel cell via an air supply path. Since the energy conversion process requires a certain air mass flow and a certain pressure level, the air supplied on the cathode side is first compressed with the aid of an air compressor arranged in the supply air path. Before it enters the fuel cells, the air is also humidified to prevent the membranes of the fuel cells from drying out. Otherwise there is a risk that the fuel cells will be damaged.
  • a gas-to-gas membrane humidifier can be used for humidification, which transports water, in particular product water, that occurs during operation of the fuel cells from the outlet side to the inlet side of the fuel cells.
  • humidifiers can only transport water if water is currently available on the “wet” side.
  • Other water occurring on the cathode or anode side is generally discharged into the environment via the exhaust system.
  • the present invention is therefore concerned with the task of optimizing the separation of water from a gas stream in order to supply this water to a use.
  • the proposed device for separating and collecting water from a gas flow comprises a water separator designed as a riser and a water tank which is arranged below the water separator, with the water separator at its lower end having an outlet which opens into the water tank, a lateral gas inlet and a gas inlet at its upper end arranged gas outlet.
  • the water separator of the device is therefore flowed through by the gas flow from bottom to top. Liquid water contained in the gas flow is separated - driven by gravity - and fed into the water tank via the outlet. The gas leaves the water separator in the opposite direction via the gas outlet provided at the top end.
  • Water collected in the water tank can be put to use, for example to humidify the air in a supply air path of a fuel cell system.
  • the device can be integrated into an exhaust air path of the fuel cell system, so that you can Material cell of the fuel cell system exiting moist air or exhaust air is supplied. In this way, a sufficiently large amount of water can be separated and collected to humidify the air supplied to the fuel cell.
  • an element promoting the condensation of water vapor is arranged in the water separator between the gas inlet and the gas outlet, for example in the form of a grid or a body made of a porous material. If the gas stream rising into the water separator still contains water in the form of water vapor, this can condense on the element and also be discharged into the water tank.
  • the gas inlet be preceded by a Venturi nozzle, which is connected to the water tank via a riser in the area of a narrowing of the cross section.
  • a Venturi nozzle which is connected to the water tank via a riser in the area of a narrowing of the cross section.
  • the water separator and/or the water tank can have a shape that enlarges the inner surface or built-in components, for example in the form of plates, ribs or tubes.
  • This measure also leads to an optimization of the water separation. More water vapor can condense on the enlarged inner surface. This is especially true when the inner surface is comparatively cool.
  • Ambient air which is usually cooler than the exhaust air in a fuel cell system, can be used for cooling, for example.
  • the built-in components of the water separator and/or the water tank should be hollow at least in some areas and ambient air can be applied to them. In this way, cooling of the gas stream that promotes condensation can be achieved.
  • the water tank can be heated by means of a heating device, which is preferably arranged on the bottom. If the water in the water tank freezes when the vehicle is parked, it can be thawed quickly using the heater. When using the device in a fuel cell system, the freeze start capability of the system can be improved in this way.
  • a pump for removing water be arranged in or on the water tank. Since the water is not only to be separated and collected, but also to be put to use, the pump can be used to specifically remove water from the water tank and convey it to the place of use. In a fuel cell system, this can be an inlet path, for example, via which air is supplied to the at least one fuel cell. Using the water taken from the water tank, the air can then be humidified before it enters the fuel cell.
  • a valve for draining water can be arranged on the water tank.
  • the water tank preferably has at least one further connection for introducing a gas and/or water flow.
  • a quantity of gas for example, can be introduced via the at least one further inlet, which gas quantity is discharged from an anode circuit of the system via a purge valve.
  • water can be fed to the water tank from a further water separator via the at least one further connection. This can be arranged on the anode side or on the cathode side, for example upstream of a turbine integrated into the exhaust air path. In this way, all the separated water can be collected in the water tank of the device and, if necessary, put to use.
  • a fuel cell system is also proposed.
  • This comprises at least one fuel cell with an exhaust air path for removing the air emerging from the fuel cell and a device according to the invention integrated into the exhaust air path. Since moist air escapes from a fuel cell, water contained in the air can be separated and collected with the aid of the device according to the invention. This in turn makes it possible to use the water, for example to humidify the air that is supplied to the fuel cell via an air supply path.
  • the device for separating and collecting water is preferably integrated in the exhaust air path downstream of a turbine.
  • the turbine is used for energy recovery.
  • the expansion of the air as it flows through the turbine promotes the condensation of water vapor, so that this water can also be retained with the aid of the device.
  • a water separator is arranged in the exhaust air path, preferably upstream of the turbine, which is connected to the water tank of the device according to the invention.
  • the further water separator arranged upstream of the turbine removes water from the moist exhaust air before it enters the turbine. In this way, damage to the turbine, for example due to droplet impact or droplet erosion, can be avoided.
  • the water separated with the help of the water separator can then also be fed to the water tank and collected there, so that only one water tank is required.
  • the water tank of the device according to the invention can be connected to a drain valve and/or purge valve arranged on the anode side.
  • Water can be introduced into the water tank via the drain valve, which water has been separated from an anode circuit of the fuel cell system with the aid of a water separator arranged on the anode side for removing water.
  • Anode gas which has been released from the anode side and which also contains water in addition to hydrogen and nitrogen can be fed into the water tank via the purge valve. If there is a secondary flow generated in the water tank with the help of a Venturi nozzle, it is ensured that the hydrogen fed into the water tank is sufficiently diluted and also who is discharged. In this way, no dangerous accumulation of hydrogen can form in the water tank.
  • a method for operating a fuel cell system with at least one fuel cell is also proposed.
  • air emerging from the fuel cell is supplied to a device according to the invention, so that the water contained in the air is separated and collected.
  • the water collected in the water tank is also used to humidify air that is supplied to the fuel cell via an air supply path.
  • the water separation rate can be increased with the aid of the method, since the water that is usually discharged into the environment with the discharged air or the exhaust gas of the fuel cell system is extracted from the moist air discharged via the discharged air path. At the same time, the water can be used so that the process increases the efficiency of the system.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a device according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a fuel cell system according to the invention.
  • the device 1 according to the invention shown in Figure 1 comprises a water separator 2 and a water tank 3.
  • the water tank 3 is arranged below the water separator 2, so that gravity-driven water separated from a gas stream G in the water separator 2 can flow via an outlet 4 into the water tank 3 reached.
  • the gas flow G enters the water separator 2 via a lateral gas inlet 5 just above the outlet 4.
  • the gas flow G is deflected and a gas outlet 6 supplied at the upper end of the water separator 2.
  • the gas stream G passes through an element 7 in the form of a grid on which the water vapor contained in the gas stream G can condense. The condensate then drips from the element 7 via the outlet 4 into the water tank 3.
  • the gas inlet 5 is preceded by a Venturi nozzle 8 with the aid of which a secondary flow can be generated in the water tank 3 .
  • a cross-sectional constriction 9 of the Venturi nozzle 8 is connected to the water tank 3 via a riser 10, so that gas is sucked out of the water tank 3 and fed to the water separator 2 via the Venturi nozzle 8.
  • the gas present in the water tank 3 is exchanged and discharged with the gas stream G.
  • the water tank 3 is connected to a purge valve 26 via a connection 14, so that the water tank 3 is supplied with anode gas containing hydrogen from an anode circuit of a fuel cell system 20 (see Figure 2 ).
  • the water tank 3 can be connected via the outlet 14 to a drain valve 25, via which a water separator 38 arranged on the anode side is emptied (see FIG. 2). In this case, this water can also be collected in the water tank 3 and possibly put to use.
  • a further connection 15 connects the water tank 3 to a water separator 24 which is arranged upstream of a turbine 23 (see FIG. 2), so that this water is also fed to the water tank 3 .
  • the water tank 3 shown has internals 11 in the form of pipes that lead through the water tank 3 and are filled with ambient air. If this is cooler than the gas in the water tank 3 IN ANY, which will usually be the case, water vapor can condense on the surfaces of a built 11 and drip down.
  • the water tank 3 shown also has a bottom-side heating device 12, which is intended to prevent freezing of water at low outside temperatures or - if water is already frozen - should allow rapid thawing.
  • the heating device 11 is therefore in the area of a floor-side Arranged gene outlet 39, can be taken ent via the water from the water tank 3, for example with the help of a pump 13 (see Figure 2).
  • FIG. 2 shows a fuel cell system 20 with a fuel cell 21 and a device 1 according to the invention.
  • the device 1 is arranged in an exhaust air path 22 via which moist air or exhaust air exiting from the fuel cell 21 is discharged.
  • the air or exhaust air is first supplied to a water separator 24 in order to remove part of the water contained to protect a downstream turbine 23 . After the turbine 23 , the air or exhaust air enters the device 1 so that the remaining water contained is extracted and collected in the water tank 3 .
  • the water collected in the water tank 3 is used in the illustrated system for humidifying air, which is fed to the fuel cell 21 via an air supply path 27 .
  • a valve unit 29 is used for humidification, which is integrated into the supply air path 27 downstream of an air compressor 28 .
  • the valve unit 29 is connected via a water line 30 to the pump 13 which is used to remove water from the water tank 3 of the device 1 .
  • the water With the help of the valve unit 29, the water is finely atomized when it is introduced, so that it quickly evaporates in the previously compressed and thereby heated air.
  • a mixing section 31 integrated into the supply air path 27 the water mixes with the air, so that good moisture distribution is achieved.
  • the compressed and humidified air arrives via the mixing section 31 at a heat exchanger 32 which is also integrated into the supply air path 27 .
  • a shut-off valve 35 is arranged in the air path 27 .
  • Another check valve 36 prevents air from returning from the exhaust air path 22 to the fuel cell 21 .
  • a bypass valve 37 is provided for bypassing the fuel cell 21, which in the open position connects the supply air path 27 to the exhaust air path 22 ver.
  • the fuel cell 21 has an anode 34 which operates in the system via an anode circuit (not shown) with hydrogen is supplied.
  • FIG. 2 only shows the water separator 38 arranged on the anode side, including the drain valve 25 and the purge valve 26, since this can be used to connect the device 1 according to the invention to the anode side of the system.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Abscheiden und Sammeln von Wasser aus einem Gasstrom, umfassend einen als Steigleitung ausgeführten Wasserabscheider (2) und einen Wassertank (3), der unterhalb des Wasserabscheiders (2) angeordnet ist, wobei der Wasserabscheider (2) an seinem unteren 10 Ende einen in den Wassertank (3) mündenden Ablauf (4), einen seitlichen Gaseinlass (5) sowie einen an seinem oberen Ende angeordneten Gasauslass (6) aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem (20) mit einer entsprechenden Vorrichtung (1) sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (20).

Description

Beschreibung
Titel:
Vorrichtung zum Abscheiden und Sammeln von Wasser aus einem Gasstrom,
Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen systems
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden und Sammeln von Was ser aus einem Gasstrom. Bei dem Gasstrom kann es sich insbesondere um Luft handeln, die im Betrieb eines Brennstoffzellensystems aus mindestens einer Brennstoffzelle austritt. Die Vorrichtung gelangt daher vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem zum Einsatz.
Die Erfindung betrifft daher ferner ein Brennstoffzellensystem mit einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brenn stoffzellensystems, bei dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abschei den und Sammeln von Wasser aus einem Gasstrom verwendet wird.
Stand der Technik
Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser. Als Sauerstofflieferant kann Luft, insbesondere Umgebungsluft, dienen. Die Luft wird über einen Zuluft pfad einer Kathode der Brennstoffzellen zugeführt. Da der Energiewandlungs prozess einen gewissen Luftmassenstrom und ein gewisses Druckniveau erfor dert, wird die kathodenseitig zugeführte Luft zuvor mit Hilfe eines im Zuluftpfad angeordneten Luftverdichters verdichtet. Vor dem Eintritt in die Brennstoffzellen wird die Luft zudem befeuchtet, um ein Austrocknen der Membranen der Brenn stoffzellen zu verhindern. Andernfalls besteht die Gefahr, dass die Brennstoffzel len beschädigt werden. Zum Befeuchten kann ein Gas-zu-Gas Membran- Befeuchter eingesetzt werden, der Wasser, insbesondere Produktwasser, das im Betrieb der Brennstoffzellen anfällt, von der Austrittsseite auf die Eintrittsseite der Brennstoffzellen transpor tiert. Derartige Befeuchter können aber nur dann Wasser transportieren, wenn zum aktuellen Zeitpunkt auf der „nassen“ Seite Wasser zur Verfügung steht. Sonstiges kathoden- oder anodenseitig anfallendes Wasser wird in der Regel über das Abgassystem an die Umgebung abgegeben.
Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, die Abscheidung von Wasser aus einem Gasstrom zu optimieren, um dieses Wasser einer Nut zung zuzuführen.
Zur Lösung der Aufgabe werden die Vorrichtung mit den Merkmalen des An spruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Betrei ben eines Brennstoffzellensystems angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Die vorgeschlagene Vorrichtung zum Abscheiden und Sammeln von Wasser aus einem Gasstrom umfasst einen als Steigleitung ausgeführten Wasserabscheider und einen Wassertank, der unterhalb des Wasserabscheiders angeordnet ist, wobei der Wasserabscheider an seinem unteren Ende einen in den Wassertank mündenden Ablauf, einen seitlichen Gaseinlass sowie einen an seinem oberen Ende angeordneten Gasauslass aufweist. Der Wasserabscheider der Vorrich tung wird demnach von dem Gasstrom von unten nach oben durchströmt. Im Gasstrom enthaltenes flüssiges Wasser wird dabei - schwerkraftgetrieben - ab geschieden und über den Ablauf in den Wassertank geleitet. Das Gas verlässt den Wasserabscheider in umgekehrter Richtung über den am oberen Ende vor gesehenen Gasauslass.
Im Wassertank gesammeltes Wasser kann einer Nutzung zugeführt werden, bei spielsweise zum Befeuchten der Luft in einem Zuluftpfad eines Brennstoffzellen systems. In diesem Fall kann die Vorrichtung in einen Abluftpfad des Brennstoff zellensystems integriert werden, so dass ihr die aus mindestens einer Brenn- stoffzelle des Brennstoffzellensystems austretende feuchte Luft bzw. Abluft zuge führt wird. Auf diese Weise kann eine ausreichend große Menge an Wasser ab geschieden und gesammelt werden, um die der Brennstoffzelle zugeführte Luft zu befeuchten.
Zur Optimierung der Wasserabscheidung wird vorgeschlagen, dass zwischen dem Gaseinlass und dem Gasauslass ein die Kondensation von Wasserdampf förderndes Element im Wasserabscheider angeordnet ist, beispielsweise in Form eines Gitters oder eines Körpers aus einem porösen Material. Sofern der in den Wasserabscheider aufsteigende Gasstrom noch Wasser in Form von Wasser dampf enthält, kann dieser an dem Element kondensieren und ebenfalls in den Wassertank abgeführt werden.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass dem Gaseinlass eine Ven- turi-Düse vorgeschaltet ist, die im Bereich einer Querschnittsverengung über eine Steigleitung mit dem Wassertank verbunden ist. Auf diese Weise kann eine Se kundärströmung erzeugt werden, mit deren Hilfe Gas, das mit dem abgeschiede nen Wasser in den Wassertank gelangt über die Steigleitung angesaugt und er neut dem Wasserabscheider zugeführt wird. Gas, das sich im Wassertank sam melt, wird demnach ausgetauscht oder zumindest verdünnt. Dies ist insbesonde re von Vorteil, wenn der Vorrichtung ein wasserstoffhaltiger Gasstrom zugeführt wird. Denn in diesem Fall kann mit Hilfe der Venturi-Düse verhindert werden, dass sich eine explosive Ansammlung von Wasserstoff im Wassertank sammelt.
Des Weiteren kann bzw. können der Wasserabscheider und/oder der Wasser tank eine die Innenoberfläche vergrößernde Formgebung oder Einbauten, bei spielsweise in Form von Platten, Rippen oder Rohren, aufweisen. Auch diese Maßnahme führt zu einer Optimierung der Wasserabscheidung. An der vergrö ßerten Innenoberfläche kann mehr Wasserdampf kondensieren. Dies gilt insbe sondere, wenn die Innenoberfläche vergleichsweise kühl ist. Zur Kühlung kann beispielsweise Umgebungsluft genutzt werden, die gegenüber der Abluft in ei nem Brennstoffzellensystem üblicherweise kühler ist. Als weiterbildende Maß nahme wird daher vorgeschlagen, dass die Einbauten des Wasserabscheiders und/oder des Wassertanks zumindest bereichsweise hohl ausgebildet und mit Umgebungsluft beaufschlagbar sind. Auf diese Weise kann eine die Kondensati on fördernde Kühlung des Gasstroms erreicht werden. Ferner wird vorgeschlagen, dass der Wassertank mittels einer Heizeinrichtung, die vorzugsweise bodenseitig angeordnet ist, beheizbar ist. Sollte im Abstellfall im Wassertank vorhandenes Wasser gefrieren, kann dieses mit Hilfe der Heizein richtung schnell aufgetaut werden. Bei Einsatz der Vorrichtung in einem Brenn stoffzellensystem kann auf diese Weise die Gefrierstartfähigkeit des Systems verbessert werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in oder am Wassertank eine Pumpe zur Entnahme von Wasser angeordnet ist. Da das Wasser nicht nur abgeschieden und gesammelt, sondern einer Nutzung zugeführt werden soll, kann hierzu mit Hilfe der Pumpe Wasser aus dem Wassertank gezielt entnom men und an den Ort der Nutzung gefördert werden. Dies kann in einem Brenn stoffzellensystem beispielsweise ein Zulaufpfad sein, über den der mindestens einen Brennstoffzelle Luft zugeführt wird. Mit Hilfe des dem Wassertank ent nommenen Wassers kann dann die Luft vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle be feuchtet werden.
Sollte sich über die Zeit mehr Wasser im Wassertank sammeln als entnommen wird, besteht die Gefahr, dass der Wassertank überläuft. Um dies zu verhindern, kann am Wassertank ein Ventil zum Ablassen von Wasser angeordnet sein.
Bevorzugt weist der Wassertank mindestens einen weiteren Anschluss zum Ein leiten eines Gas- und/oder Wasserstroms auf. Bei Einsatz der Vorrichtung in ei nem Brennstoffzellensystem kann über den mindestens einen weiteren Einlass beispielsweise eine Gasmenge eingeleitet werden, die über ein Purgeventil aus einem Anodenkreis des Systems abgelassen wird. Alternativ oder ergänzend kann über den mindestens einen weiteren Anschluss dem Wassertank Wasser aus einem weiteren Wasserabscheider zugeführt werden. Dieser kann anoden seitig oder kathodenseitig, beispielsweise stromaufwärts einer in den Abluftpfad integrierten Turbine angeordnet sein. Auf diese Weise kann alles abgeschiedene Wasser in dem Wassertank der Vorrichtung gesammelt und ggf. einer Nutzung zugeführt werden.
Da die vorgeschlagene Vorrichtung vorzugsweise in einem Brennstoffzellensys tem zum Einsatz gelangt, wird ferner ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Dieses umfasst mindestens eine Brennstoffzelle mit einem Abluftpfad zum Ab führen der aus der Brennstoffzelle austretenden Luft sowie eine in den Abluftpfad integrierte erfindungsgemäße Vorrichtung. Da aus einer Brennstoffzelle feuchte Luft austritt, kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Luft enthal tenes Wasser abgeschieden und gesammelt werden. Dies wiederum ermöglicht es, das Wasser einer Nutzung zuzuführen, beispielsweise zum Befeuchten der Luft, die der Brennstoffzelle über einen Zuluftpfad zugeführt wird.
Bevorzugt ist die Vorrichtung zum Abscheiden und Sammeln von Wasser strom abwärts einer Turbine in den Abluftpfad integriert. Die Turbine dient der Energie rückgewinnung. Die Entspannung der Luft beim Hindurchströmen durch die Tur bine fördert das Kondensieren von Wasserdampf, so dass auch dieses Wasser mit Hilfe der Vorrichtung zurückgehalten werden kann.
Sofern im Abluftpfad eine Turbine angeordnet ist, wird in Weiterbildung der Erfin dung vorgeschlagen, dass in den Abluftpfad, vorzugsweise stromaufwärts der Turbine, ein Wasserabscheider angeordnet ist, der mit dem Wassertank der er findungsgemäßen Vorrichtung verbunden ist. Der stromaufwärts der Turbine an geordnete weitere Wasserabscheider entzieht der feuchten Abluft Wasser, bevor sie in die Turbine gelangt. Auf diese Weise können Schäden der Turbine, bei spielsweise durch Tropfenschlag oder Tropfenerosion, vermieden werden. Das mit Hilfe des Wasserabscheiders abgeschiedene Wasser kann dann ebenfalls dem Wassertank zugeführt und dort gesammelt werden, so dass nur ein Wasser tank erforderlich ist.
Alternativ oder ergänzend kann der Wassertank der erfindungsgemäßen Vorrich tung mit einem anodenseitig angeordneten Drainventil und/oder Purgeventil ver bunden sein. Über das Drainventil kann Wasser in den Wassertank eingeleitet werden, das mit Hilfe eines anodenseitig angeordneten Wasserabscheiders zum Entfernern von Wasser aus einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems ab geschieden worden ist. Über das Purgeventil kann anodenseitig abgelassenes Anodengas in den Wassertank eingeleitet werden, das neben Wasserstoff und Stickstoff auch Wasser enthält. Sofern eine im Wassertank mit Hilfe einer Ven- turi-Düse erzeugte Sekundärströmung vorhanden ist, ist sichergestellt, dass der in den Wassertank eingeleitete Wasserstoff ausreichend verdünnt und auch wie- der ausgeleitet wird. Auf diese Weise kann sich keine gefährliche Ansammlung von Wasserstoff im Wassertank bilden.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird darüber hinaus ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoff zelle vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird aus der Brennstoffzelle austretende Luft einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zugeführt, so dass in der Luft enthal tenes Wasser abgeschieden und gesammelt wird. Bei dem Verfahren wird ferner das im Wassertank gesammelte Wasser zum Befeuchten von Luft verwendet, die der Brennstoffzelle über einen Zuluftpfad zugeführt wird.
Mit Hilfe des Verfahrens kann die Wasserabscheidungsrate erhöht werden, da der über den Abluftpfad abgeführten feuchten Luft das Wasser entzogen wird, das üblicherweise mit der Abluft bzw. dem Abgas des Brennstoffzellensystems in die Umgebung abgelassen wird. Zugleich kann das Wasser einer Nutzung zuge führt werden, so dass mit Hilfe des Verfahrens die Effizienz des Systems gestei gert wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Fig.2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzel lensystems.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in der Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 umfasst einen Wasserabscheider 2 und einen Wassertank 3. Der Wassertank 3 ist unterhalb des Wasserabscheiders 2 angeordnet, so dass in dem Wasserabscheider 2 aus einem Gasstrom G abgeschiedenes Wasser schwerkraftgetrieben über einen Ab lauf 4 in den Wassertank 3 gelangt. Der Gasstrom G gelangt in den Wasserab scheider 2 über einen seitlichen Gaseinlass 5 knapp oberhalb des Ablaufs 4. Im Wasserabscheider 2 wird der Gasstrom G umgelenkt und einem Gasauslass 6 am oberen Ende des Wasserabscheiders 2 zugeführt. Der Gasstrom G passiert dabei ein Element 7 in Form eines Gitters, an dem im Gasstrom G enthaltener Wasserdampf kondensieren kann. Das Kondensat tropft dann vom Element 7 über den Ablauf 4 in den Wassertank 3.
Dem Gaseinlass 5 ist eine Venturi-Düse 8 vorgeschaltet, mit deren Hilfe eine Se kundärströmung im Wassertank 3 erzeugt werden kann. Denn eine Quer schnittsverengung 9 der Venturi-Düse 8 ist über eine Steigleitung 10 mit dem Wassertank 3 verbunden, so dass Gas aus dem Wassertank 3 angesaugt und über die Venturi-Düse 8 dem Wasserabscheider 2 zugeführt wird. Auf diese Wei se wird das im Wassertank 3 vorhandene Gas ausgetauscht und mit dem Gasstrom G abgeführt. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn - wie in der Figur 1 beispielhaft dargestellt - der Wassertank 3 über einen Anschluss 14 mit einem Purgeventil 26 verbunden ist, so dass dem Wassertank 3 Wasserstoff haltiges Anodengas aus einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems 20 zugeführt wird (siehe Figur 2). Denn auf diese Weise wird verhindert, dass sich der Was serstoff im Wassertank 3 sammeln kann. Stattdessen wird er verdünnt und abge führt. Über den Auslass 14 kann der Wassertank 3 - alternativ oder ergänzend - mit einem Drainventil 25 verbunden sein, über das ein anodenseitig angeordne ter Wasserabscheider 38 entleert wird (siehe Figur 2). In diesem Fall kann auch dieses Wasser im Wassertank 3 gesammelt und ggf. einer Nutzung zugeführt werden. Ein weiterer Anschluss 15 verbindet vorliegend den Wassertank 3 mit einem Wasserabscheider 24, der stromaufwärts einer Turbine 23 angeordnet ist (siehe Figur 2), so dass auch dieses Wasser dem Wassertank 3 zugeführt wird.
Zur Optimierung der Wasserabscheidung weist der dargestellte Wassertank 3 Einbauten 11 in Form von Rohren auf, die durch den Wassertank 3 führen und mit Umgebungsluft gefüllt sind. Ist diese kühler als das im Wassertank 3 vorhan dene Gas, was in der Regel der Fall sein wird, kann an den Oberflächen der Ein bauten 11 Wasserdampf kondensieren und nach unten tropfen.
Der dargestellte Wassertank 3 weist ferner eine bodenseitig angeordnete Heiz einrichtung 12 auf, die ein Gefrieren von Wasser bei tiefen Außentemperaturen verhindern soll oder - falls Wasser bereits gefroren ist - ein schnelles Auftauen ermöglichen soll. Die Heizeinrichtung 11 ist daher im Bereich eines bodenseiti- gen Auslasses 39 angeordnet, über den Wasser aus dem Wassertank 3 ent nommen werden kann beispielsweise mit Hilfe einer Pumpe 13 (siehe Figur 2).
Der Figur 2 ist ein Brennstoffzellensystem 20 mit einer Brennstoffzelle 21 sowie einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zu entnehmen. Die Vorrichtung 1 ist da bei in einem Abluftpfad 22 angeordnet, über den aus der Brennstoffzelle 21 aus tretende feuchte Luft bzw. Abluft abgeführt wird. Die Luft bzw. Abluft wird zu nächst einem Wasserabscheider 24 zugeführt, um eine Teil des enthaltenen Wassers zum Schutz einer nachfolgenden Turbine 23 zu entziehen. Nach der Turbine 23 gelangt die Luft bzw. Abluft in die Vorrichtung 1, so dass restliches enthaltenes Wasser entzogen und im Wassertank 3 gesammelt wird.
Das im Wassertank 3 gesammelte Wasser wird bei dem dargestellten System zum Befeuchten von Luft genutzt, die der Brennstoffzelle 21 über einen Zuluft pfad 27 zugeführt wird. Zum Befeuchten wird eine Ventileinheit 29 verwendet, die stromabwärts eines Luftverdichters 28 in den Zuluftpfad 27 integriert ist. Die Ven tileinheit 29 ist über eine Wasserleitung 30 mit der Pumpe 13 verbunden, die der Entnahme von Wasser aus dem Wassertank 3 der Vorrichtung 1 dient. Mit Hilfe der Ventileinheit 29 wird das Wasser beim Einbringen fein zerstäubt, so dass es in der zuvor verdichteten und dabei erwärmten Luft schnell verdampft. Beim Durchströmen einer in den Zuluftpfad 27 integrierten Mischstrecke 31 durch mischt sich das Wasser mit der Luft, so dass eine gute Feuchteverteilung erreicht wird. Über die Mischstrecke 31 gelangt die verdichtete und befeuchtete Luft zu einem ebenfalls in den Zuluftpfad 27 integrierten Wärmetauscher 32. Dieser dient der Temperierung der Luft bevor sie einer Kathode 33 der Brennstoffzelle 21 zu geführt wird.
Um im Abstellfall den Eintritt von Luft in die Kathode 33 zu verhindern, ist im Zu luftpfad 27 ein Absperrventil 35 angeordnet. Ein weiteres Absperrventil 36 ver hindert, dass Luft aus dem Abluftpfad 22 zurück in die Brennstoffzelle 21 gelangt. Darüber hinaus ist ein Bypassventil 37 zur Umgehung der Brennstoffzelle 21 vorgesehen, das in Offenstellung den Zuluftpfad 27 mit dem Abluftpfad 22 ver bindet.
Neben der Kathode 33 weist die Brennstoffzelle 21 eine Anode 34 auf, die im Be trieb des Systems über einen Anodenkreis (nicht dargestellt) mit Wasserstoff versorgt wird. In der Figur 2 sind lediglich der anodenseitig angeordnete Wasser abscheider 38 einschließlich des Drainventils 25 sowie das Purgeventil 26 dar gestellt, da hierüber eine Verbindung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit der Anodenseite des Systems herstellbar ist.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (1) zum Abscheiden und Sammeln von Wasser aus einem Gasstrom, umfassend einen als Steigleitung ausgeführten Wasserabscheider (2) und einen Wassertank (3), der unterhalb des Wasserabscheiders (2) angeordnet ist, wobei der Wasserabscheider (2) an seinem unteren Ende einen in den Was sertank (3) mündenden Ablauf (4), einen seitlichen Gaseinlass (5) sowie einen an seinem oberen Ende angeordneten Gasauslass (6) aufweist.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gaseinlass (5) und dem Gasaus lass (6) ein die Kondensation von Wasserdampf förderndes Element (7) im Was serabscheider (2) angeordnet ist, beispielsweise in Form eines Gitters oder eines Körpers aus einem porösen Material.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gaseinlass (5) eine Venturi-Düse (8) vor geschaltet ist, die im Bereich einer Querschnittsverengung (9) über eine Steiglei tung (10) mit dem Wassertank (3) verbunden ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserabscheider (2) und/oder der Was sertank (3) eine die Innenoberfläche vergrößernde Formgebung oder Einbauten (11), beispielsweise in Form von Platten, Rippen oder Rohren, aufweist bzw. aufweisen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbauten (11) zumindest bereichsweise hohl ausgebildet und mit Umgebungsluft beaufschlagbar sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassertank (3) mittels einer Heizeinrichtung (12), die vorzugsweise bodenseitig angeordnet ist, beheizbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in oder am Wassertank (3) eine Pumpe (13) zur Entnahme von Wasser und/oder ein Ventil zum Ablassen von Wasser angeord net ist bzw. sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassertank (3) mindestens einen weiteren Anschluss (14, 15) zum Einleiten eines Gas- und/oder Wasserstroms aufweist.
9. Brennstoffzellensystem (20), umfassend mindestens eine Brennstoffzelle (21) mit einem Abluftpfad (22) zum Abführen der aus der Brennstoffzelle (21) austretenden Luft, wobei in den Abluftpfad (22) eine Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche integriert ist.
10. Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) stromabwärts einer Turbine (23) in den Abluftpfad (22) integriert ist.
11. Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in den Abluftpfad (22), vorzugsweise stromauf wärts der Turbine (23), ein Wasserabscheider (24) angeordnet ist, der mit dem Wassertank (3) der Vorrichtung (1) verbunden ist.
12. Brennstoffzellensystem (20) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassertank (3) der Vorrichtung (1) mit ei nem anodenseitig angeordneten Drainventil (25) und/oder Purgeventil (26) ver bunden ist.
13. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (20) mit mindestens einer Brennstoffzelle (21), bei dem aus der Brennstoffzelle (21) austretende Luft einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zugeführt wird, so dass in der Luft enthaltenes Wasser abgeschieden und gesammelt wird, und bei dem das im Wassertank (3) gesammelte Wasser zum Befeuchten von Luft verwendet wird, die der Brennstoffzelle (21) über einen Zuluftpfad (27) zugeführt wird.
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