WO2025008244A1 - Kompakte prozesswasserentgasung einer brennstoffzellenanlage - Google Patents

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ThyssenKrupp AG
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Definitions

  • the invention relates to a device for collecting the water of a fuel cell device, its degassing and safe further processing of the gases escaping from the water.
  • fuel cell devices In conventionally powered submarines, fuel cell devices have established themselves as suitable air-independent energy generation devices.
  • a fuel cell device can also be the suitable energy generation device that is independent of the outside air, especially for longer underwater missions.
  • the unmanned design means that the underwater vehicles are becoming much smaller. In addition to the pure size, this also means that the available volume of the environment is much smaller and thus pressure fluctuations and the enrichment effects of escaping gases are much more apparent.
  • the water that comes out of a fuel cell is usually saturated with gases, so there is water on the anode side that has dissolved hydrogen and water on the cathode side that has dissolved oxygen. These gases evaporate from the water and represent a much higher risk potential, especially in the small gas volume of an unmanned underwater vehicle.
  • a gas and liquid separator is known from DE 10 2020 124 446 A1.
  • the object of the invention is to provide a device which safely and reliably guides the gas escaping from the anode side and the cathode side of a fuel cell device and reduces it to uncritical concentrations.
  • the fuel cell wastewater degassing tank according to the invention is used to collect water separated from the anode side and the cathode side of a fuel cell device.
  • the water on the anode side is saturated with hydrogen, for example, and the water on the cathode side is saturated with oxygen, for example.
  • the fuel cell wastewater degassing tank is also used on board an unmanned underwater vehicle, which in turn means that the surrounding gas volume is very small, and manual intervention during operation is not possible.
  • the fuel cell wastewater degassing tank has a housing.
  • a housing serves as a closure; in this case, the housing is sealed against liquids and gases except for the inlets and outlets and takes on the supporting function.
  • the fuel cell wastewater degassing tank has an anode water area and a cathode water area arranged in the housing. This means that there are two separate rooms with two separate liquid areas. The anode water saturated with hydrogen and the cathode water saturated with oxygen therefore come into the same housing, but into separate areas.
  • the fuel cell waste water degassing tank has an anode water inlet arranged in the anode water area and a cathode water inlet arranged in the cathode water area. The water from the anode is fed through the anode water inlet, and the water from the cathode is fed through the cathode water inlet. In addition, it is possible to introduce the anode purge gases into the anode water area.
  • the cathode purge gases can also be introduced into the cathode water area.
  • the gas spaces in the anode water area and in the cathode water area serve as buffer volumes, which delay the introduction of the gases and the associated increase in gas concentrations.
  • the fuel cell waste water degassing tank has an anode water inlet arranged in the cathode water area. arranged water outlet. Water can be removed from the cathode area and thus from the fuel cell waste water degassing tank via the water outlet.
  • the fuel cell waste water degassing tank only has this one option for removing water.
  • the fuel cell waste water degassing tank has an anode gas outlet in the anode water area and a cathode gas outlet in the cathode water area.
  • the gas in the anode water area will contain hydrogen due to the water coming from the anode and optionally due to the anode purge gases, while the gas in the cathode area will contain oxygen due to the water coming from the cathode and optionally due to the cathode purge gases. It is therefore sensible to release both gases separately via separate gas outlets in order to avoid directly generating a mixture which contains both hydrogen and oxygen.
  • the fuel cell device is a pressure-controlled fuel cell device, i.e. a fuel cell device in which the reactant gases are supplied at the same pressure on the anode side and the cathode side. This has the advantage that no pressure acts on the membrane inside the fuel cell device.
  • the discharged purge gases are also subjected to a comparatively constant pressure, which in turn means that extreme pressure differences between the anode water area and the cathode water area in the fuel cell waste water degassing tank can be reliably avoided.
  • the water inlet and the transfer point are connected to one another by a pipe.
  • a pipe This is a simple embodiment.
  • it can also be a hose, for example.
  • the connection can be made by means of a channel in or on the wall of the anode water area.
  • the fuel cell wastewater degassing tank has a return flow inlet in the cathode water area.
  • the water outlet and the return flow inlet can be connected via a pump.
  • the return flow inlet is preferably arranged as high up as possible in the cathode water area.
  • the pumped water is preferably sprayed into the gas space of the cathode water area in order to enable particularly efficient outgassing. This is advantageous because the degassed water can be used for other processes, for example as cooling water or for humidifying reactant gases.
  • the water outlet can be connected to a water tank via a pump.
  • the water outlet can be switched via a Valve, for example a three-way valve or several valves, for example two simple valves, connectable to either the return inlet or the water tank. It is therefore possible to switch between degassing and emptying by simply switching the valve(s), which is advantageous for use in an unmanned underwater vehicle.
  • the invention relates to an underwater vehicle with a pressure hull.
  • the underwater vehicle has a fuel cell device, a fuel cell waste water degassing tank according to the invention and a recirculation device in the pressure hull.
  • the recirculation device serves to guide the air, for example, through a pipe and thus circulate the gas inside the pressure hull.
  • the recirculation device can be connected, for example, to the housing of a fuel cell device in order to discharge the gas from it in order to be able to detect a leak within the fuel cell device at an early stage, for example.
  • the anode gas outlet is connected to the recirculation device and the cathode gas outlet is connected to the recirculation device.
  • the fuel cell wastewater degassing tank has an anode purge gas inlet in the anode water area and a cathode purge gas inlet in the cathode water area.
  • the fuel cell device is connected to the anode purge gas inlet and the cathode purge gas inlet for transferring purge gas.
  • purge gases from the anode area of the fuel cell device can be directed into the anode water area and purge gases from the cathode area of the fuel cell device can be directed into the cathode water area.
  • the air circulation device has a fan and a catalyst.
  • platinum metals are suitable as catalysts, as hydrogen and oxygen react to form water even in low concentrations.
  • the fuel cell wastewater degassing tank has at least one first pressure measuring device.
  • the fuel cell wastewater degassing tank has at least one first pressure measuring device and a second pressure measuring device.
  • the first pressure measuring device is preferably arranged in the anode water region, particularly preferably in the upper, gas-filled region, in particular above the transfer point.
  • the second pressure measuring device is preferably arranged in the cathode water region, particularly preferably in the upper, gas-filled region, in particular above the transfer point. This makes it possible to determine whether, for example, a pressure difference occurs due to problems behind the anode gas outlet or the cathode gas outlet. This could lead to, for example, oxygen-containing gas from the cathode water region being forced through the transfer point into the anode water region, which in turn could, in the worst case, produce an ignitable gas mixture.
  • FIG. 1 An exemplary fuel cell wastewater degassing tank 10 is shown in Fig. 1.
  • the fuel cell waste water degassing tank 10 has a housing 20.
  • An anode water area 30 and a cathode water area 40 are arranged within the housing 20, which are spatially separated.
  • An anode purge gas inlet 31 leads into the anode water area 30, via which purge gas from the anode side of the Fuel cell device can be supplied, and an anode water inlet 32, via which water from the anode side of a fuel cell device 110 can be supplied.
  • Gas which has either been supplied via the anode purge gas inlet 31 or the anode water inlet 32 or which has been outgassed from the anode water can be discharged via the anode gas outlet 34.
  • Gas which has either been supplied via the cathode purge gas connection 41 or the cathode water inlet 42 or which has been outgassed from the cathode water can be discharged via the cathode gas outlet 44.
  • an anode spray nozzle 33 can be installed in the anode water inlet 32. Improved degassing is achieved through spraying.
  • a cathode spray nozzle 33 can also be installed in the cathode water inlet 42.
  • the anode water region 30 and the cathode water region 40 are connected to transfer water from the anode water region 30 to the cathode water region 40. If the liquid level in the anode water region 30 rises above the transfer point 50, water flows into the water inlet 52 and through the transfer point 50 into the cathode water region 40.
  • a water outlet 60 is arranged in the cathode water area 40. Water is pumped from the water outlet 60 via the valve 76 into the return line 72 and back into the cathode water area 40 via the return flow inlet 70. To improve the outgassing of dissolved gases, a return spray nozzle 71 is installed in the return flow inlet 70. Alternatively, the valve 76 can be switched so that the water can be pumped into a water tank 130 by means of the pump 74.
  • Fig. 2 shows a modular underwater vehicle 200.
  • the underwater vehicle 200 has, for example, three modules, a power generation module 210, a drive module 220 and a tank module 230.
  • a hydrogen tank 232, an oxygen tank 234 and the water tank 130 are arranged in the tank module 230.
  • the advantage of the modular concept is that the range can be practically increased by using several tank modules 230, so that it is very easy to adapt to the mission requirements.
  • the drive module 220 has a drive motor 222, which is supplied with energy by the fuel cell device 110 of the energy generation module 210. All three modules have a structure 240, for example a steel frame.
  • the energy generation module 210 has a pressure hull 140.
  • a fuel cell device 110 is arranged within the pressure hull 140, in which hydrogen and oxygen are converted to water and electrical energy is thus generated. It is preferably a recirculation fuel cell device with an anode water separator and a cathode water separator.
  • the anode water is introduced into the anode water region 30 via the anode water inlet 32 of the fuel cell waste water degassing tank
  • the cathode water is introduced into the cathode water region 40 via the cathode water inlet 42 of the fuel cell waste water degassing tank.
  • the fuel cell waste water degassing tank 10 is connected to a water tank 130.
  • the advantage is that the mass of the underwater vehicle 200 does not change and thus the buoyancy does not change.
  • Hydrogen-containing anode gas is fed via the anode gas outlet 34 and oxygen-containing cathode gas is fed via the anode gas outlet 44 into the air circulation device 120 in the form of a pipe system with air circulation fan 122 and catalyst 124.
  • hydrogen and oxygen can be converted into water.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenabwasserentgasungstank (10), wobei der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank (10) ein Gehäuse (20) aufweist, wobei der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank (10) einen in dem Gehäuse (20) angeordneten Anodenwasserbereich (30) und einen Kathodenwasserbereich (40) aufweist, wobei der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank (10) einen im Anodenwasserbereich (30) angeordneten Anodenwassereinlass (32) und einen im Kathodenwasserbereich (40) angeordneten Kathodenwassereinlass (42) aufweist, wobei der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank (10) einen im Kathodenwasserbereich (40) angeordneten Wasserauslass (60) aufweist, wobei der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank (10) im Anodenwasserbereich (30) einen Anodengasauslass (34) aufweist, wobei der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank (10) im Kathodenwasserbereich (40) einen Kathodengasauslass (44) aufweist, wobei zwischen dem Anodenwasserbereich (30) und dem Kathodenwasserbereich (40) eine Wasserüberführung vorhanden ist, wobei die Wasserüberführung einen Wassereinlass (52) im Anodenwasserbereich (30) aufweist, wobei die Wasserüberführung einen Übergabepunkt (50) aufweist, wobei der Übergabepunkt (50) am Übergang vom Anodenwasserbereich (30) zum Kathodenwasserbereich (40) angeordnet ist, wobei der Wassereinlass (52) unterhalb des Übergabepunktes (50) angeordnet ist.

Description

Kompakte Prozesswasserentgasung einer Brennstoffzellenanlage
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auffangen des Wassers einer Brennstoffzellenvorrichtung, deren Entgasung und sicherer Weiterverarbeitung der aus dem Wasser austretenden Gase.
In konventionell angetriebenen Unterseebooten haben sich Brennstoffzellenvorrichtungen als geeignete außenluftunabhängige Energieerzeugungsvorrichtungen etabliert.
Es entsteht zunehmend ein Bedarf an unbemannten Unterwasserfahrzeugen. In diesen kann, gerade für längere Unterwassermissionen eine Brennstoffzellenvorrichtung ebenfalls die geeignete außenluftunabhängige Energieerzeugungsvorrichtung sein. Jedoch stellen sich bei der Umsetzung neue Herausforderungen. Durch die unbemannte Bauweise werden die Unterwasserfahrzeuge noch wesentlich kleiner. Neben der reinen Baugröße bedeutet dieses aber vor allem auch, dass der zur Verfügung stehende Volumen der Umgebung wesentlich kleiner ist und somit Druckschwankungen sowie die Anreicherungseffekte bei austretenden Gasen wesentlich stärker zu Tage treten.
In einer Brennstoffzelle wird Wasserstoff und Sauerstoff unter Freisetzung von elektrischer Energie zu Wasser umgesetzt. Dieses Wasser muss regelmäßig aus der Brennstoffzelle entfernt werden. Hierbei wird ebenfalls Gas mit dem Wasser ausgetragen. Zusätzlich müssen beim Spülen der Anode oder der Kathode Gase aus der Brennstoffzelle abgeführt werden.
Das aus einer Brennstoffzelle austretende Wasser weist üblicherweise eine Sättigung mit den Gasen auf, es gibt also anodenseitig Wasser, welches Wasserstoff gelöst hat, und kathodenseitig Wasser, welches Sauerstoff gelöst hat. Diese Gase gasen aus dem Wasser aus und stellen gerade in dem kleinen Gasvolumen eines unbemannten Unterwasserfahrzeugs ein wesentlich höheres Gefährdungspotential dar.
Aus der DE 10 2020 124 446 A1 ist ein Gas- und Flüssigkeitsabscheider bekannt. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, die das aus den Anodenseite und der Kathodenseite einer Brennstoffzellenvorrichtung austretende Gas sicher und zuverlässig zu führen und zu unkritischen Konzentrationen abzubauen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch den Brennstoffzellenabwasserentgasungstank mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenabwasserentgasungstank dient zur Sammlung von aus der Anodenseite und der Kathodenseite abgeschiedenem Wasser einer Brennstoffzellenvorrichtung. Das Wasser der Anodenseite ist beispielsweise mit Wasserstoff und das Wasser der Kathodenseite beispielsweise mit Sauerstoff gesättigt. Weiter dient der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank für den Einsatz an Bord eines unbemannten Unterwasserfahrzeugs, was wiederum bedeutet, dass zum einen das umgebende Gasvolumen sehr klein ist, zum anderen manuelle Eingriffe beim Betrieb nicht möglich sind. Der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank weist ein Gehäuse auf. Ein Gehäuse dient dem Abschluss, in diesem Fall ist das Gehäuse bis auf die Ein- und Auslässe dicht gegen Flüssigkeiten und Gase und übernimmt die tragende Funktion. Der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank weist einen in dem Gehäuse angeordneten Anodenwasserbereich und einen Kathodenwasserbereich auf. Das bedeutet, dass es zwei getrennte Räume mit zwei getrennten Flüssigkeitsbereichen gibt. Da mit Wasserstoff gesättigte Anodenwasser und das mit Sauerstoff gesättigte Kathodenwasser kommen somit zwar in das gleiche Gehäuse, aber in getrennte Bereiche. Der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank weist einen im Anodenwasserbereich angeordneten Anodenwassereinlass und einen im Kathodenwasserbereich angeordneten Kathodenwassereinlass auf. Durch den Anodenwassereinlass wird das Wasser aus der Anode zugeführt, durch den Kathodenwassereinlass wird das Wasser aus der Kathode zugeführt. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, auch die Anodenspülgase in den Anodenwasserbereich einzuleiten. Auch die Kathodenspülgase können in den Kathodenwasserbereich eingeleitet werden. Die Gasräume im Anodenwasserbereich und im Kathodenwasserbereich dienen hierbei als Puffervolumen, welche die Einleitung der Gase und der damit verbundene Anstieg der Gaskonzentrationen verzögern. Der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank weist einen im Kathodenwasserbereich angeordneten Wasserauslass auf. Über den Wasserauslass kann Wasser aus dem Kathodenbereich und damit aus dem Brennstoffzellenabwasserentgasungstank entfernt werden. Vorzugsweise weist der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank nur diese eine Möglichkeit zur Entnahme von Wasser auf. Der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank weist im Anodenwasserbereich einen Anodengasauslass und im Kathodenwasserbereich einen Kathodengasauslass auf. Das Gas im Anodenwasserbereich wird durch das aus der Anode kommende Wasser und optional durch die Anodenspülgase Wasserstoff aufweisen, dass Gas im Kathodenbereich wird durch das aus der Kathode kommende Wasser und optional durch die Kathodenspülgase Sauerstoff aufweisen. Es ist daher sinnvoll, beide Gase getrennt über getrennte Gasauslässe abzugeben, um eine direkte Erzeugung eines Gemisches, welches sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff enthält, zu vermeiden. Zwischen dem Anodenwasserbereich und dem Kathodenwasserbereich ist eine Wasserüberführung vorhanden wobei die Wasserüberführung permanent offen und durchströmbar ist. Die Wasserüberführung weist somit kein Ventil oder anderes aktives Regelelement auf. Es handelt sich somit um eine rein fest verbaute Vorrichtung, welche somit eben nicht durch einen Ausfall, beispielsweise einer Ansteuerung oder durch das Festsetzen eines Ventils ausfallen kann. Gerade diese besonders robuste Ausführung führt zu einer Eignung des Einsatzes an Bord eines unbemannten Fahrzeugs, wo eben der Eingriff eines Besatzungsmitglieds nicht möglich ist.. Die Wasserüberführung weist einen Wassereinlass im Anodenwasserbereich auf. Weiter weist die Wasserüberführung einen Übergabepunkt auf, wobei der Übergabepunkt am Übergang vom Anodenwasserbereich zum Kathodenwasserbereich angeordnet ist. Der Wassereinlass ist unterhalb des Übergabepunktes angeordnet. Dadurch ergibt sich, dass das in den Anodenbereich geführte Wasser über den Wassereinlass steht, bevor das Wasser über den Übergabepunkt in den Kathodenwasserbereich gelangt. Dieses führt dazu, dass die Gasräume des Anodenwasserbereichs und des Kathodenwasserbereichs zuverlässig voneinander getrennt sind. Dadurch ist ein sehr kompakter Brennstoffzellenabwasserentgasungstank möglich, in dem sowohl das Abwasser der Anodenseite als auch der Kathodenseite aufgefangen und bearbeitet werden kann, was gerade für die Verwendung in einem kleinen unbemannten Unterwasserfahrzeug vorteilhaft ist. Der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank kommt somit ohne bewegliche Teile und ohne jede äußere Ansteuerung aus, sodass dieser extrem robust und ausfallsicher ist. Beispielsweise und bevorzugt ist die Brennstoffzellenvorrichtung eine druckgeregelte Brennstoffzellenvorrichtung, also eine Brennstoffzellenvorrichtung bei der anodenseitig und kathodenseitig die Eduktgase mit gleichem Druck zugeführt werden. Dieses hat den Vorteil, dass kein Druck auf die Membran innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung wirkt.
Besonders bevorzugt ist die Brennstoffzellenvorrichtung eine Rezirkulationsbrennstoffzellenvorrichtung. Der Vorteil hiervon ist, dass durch die Rezirkulation ein vergleichsweise hoher Gasvolumenstrom die Brennstoffzellenelemente verlässt und damit Wasser sicher austrägt. Gleichzeitig führt die Rezirkulation zu einer optimalen Nutzung der Gase.
Insbesondere im Falle einer druckgeregelten Rezirkulationsbrennstoffzellenvorrichtung werden auch die ausgetragenen Spülgase einen vergleichsweise konstanten Druck auf, was wiederum dazu führt, dass in dem Brennstoffzellenabwasserentgasungstank extreme Druckunterschiede zwischen dem Anodenwasserbereich und dem Kathodenwasserbereich zuverlässig vermeiden werden können.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Anodenwasserbereich eine Höhe hA auf. Der Wassereinlass ist in den unteren 10 % der Höhe hA angeordnet. Der Übergabepunkt in den oberen 50 % der Höhe hA angeordnet. Der Anodenwasserbereich wird sich bis zur Höhe des Übergabepunktes mit Anodenwasser füllen. Durch die Wassersäule zwischen dem Wassereinlass und dem Übergabepunkt werden die Gasräume zuverlässig getrennt. Durch das Wasservolumen wird eine Verweilzeit des Anodenwassers im Anodenwasserbereich gewährleistet, wodurch der Wasserstoff größtenteils im Anodenwasserbereich ausgasen kann. Daher ist es vorteilhaft, wenn der wassergefüllte Teil größer als der gasgefüllte Teil ist, der Übergabepunkt also in den oberen 50 % der Höhe hA angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Wassereinlass soweit von dem Übergabepunkt beabstandet, dass auch bei einer Schräglage von 15 °, bevorzugt von 30 °, besonders bevorzugt von 45 °, der Wassereinlass immer vollständig unterhalb des Übergabepunkts angeordnet ist. Dieses ist in einfacher Weise zu realisieren, wenn der Anodenwasserbereich schmal ausgeführt ist, also höher als breit ist. Der Anodenwasserbereich wird sich mit Wasser bis zum Übergabepunkt füllen, aber bei einer Schräglage wird der Wassereinlass relativ zum Übergabepunkt angehoben. Praktisch bedeutet dieses, dass der Wassereinlass in Ruhelage weiter in vertikaler Richtung von dem Übergabepunkt entfernt sein sollte als in horizontaler Richtung (um bei einer Schräglage von 45 ° noch immer tiefer angeordnet zu sein).
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der Wassereinlass und der Übergabepunkt durch ein Rohr miteinander verbunden. Dieses ist eine einfache Ausführungsform. Alternativ kann es sich beispielsweise auch um einen Schlauch handeln. Weiter alternativ kann die Verbindung mittels eines Kanals im oder an der Wandung des Anodenwasserbereichs ausgeführt sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Anodenwasserbereich einen Füllstandssensor auf. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Füllstandssensor mit einem Ventil am Übergabepunkt verbunden ist und bei zu niedrigem Füllstand im Anodenwasserbereich das Ventil im Übergabepunkt schließt. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass das System eine mögliche Gasverbindung des Kathoden- und Anodenbereichs erkennt und gegebenfalls die Verbindung unterbrechen kann oder den Betrieb der Brennstoffzelle beendet und so gefährliche Gasgemische vermeidet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank im Kathodenwasserbereich einen Rückflusseinlass auf. Der Wasserauslass und der Rückflusseinlass sind über eine Pumpe verbindbar. Bevorzugt ist der Rückflusseinlass möglichst weit oben im Kathodenwasserbereich angeordnet. Hierdurch wird das umgepumpte Wasser vorzugsweise in den Gasraum des Kathodenwasserbereichs versprüht, um ein besonders effizientes Ausgasen zu ermöglichen. Dieses ist vorteilhaft, da so das entgaste Wasser für andere Prozesse verwendet werden kann, beispielsweise auch als Kühlwasser oder zur Befeuchtung von Eduktgasen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Wasserauslass über eine Pumpe mit einem Wassertank verbindbar. Bevorzugt ist der Wasserauslass schaltbar über ein Ventil, beispielsweise ein Drei-Wege-Ventil oder mehrere Ventile, beispielsweise zwei einfache Ventile, entweder mit dem Rückflusseinlass oder dem Wassertank verbindbar. Es kann also zwischen einer Entgasung und einer Entleerung durch einfache Schaltung des Ventils / der Ventile gewechselt werden, was für den Einsatz in einem unbemannten Unterwasserfahrzeug vorteilhaft ist.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Unterwasserfahrzeug mit einem Druckkörper. Das Unterwasserfahrzeug weist im Druckkörper eine Brennstoffzellenvorrichtung, einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenabwasserentgasungstank und eine Umluftvorrichtung auf. Die Umluftvorrichtung dient dazu, die Luft beispielsweise durch ein Rohr zu führen und so das Gas im Inneren des Druckkörpers umzuwälzen. Die Umluftvorrichtung kann beispielsweise an das Gehäuse einer Brennstoffzellenvorrichtung angeschlossen sein, um das Gas aus dieser abzuführen, um beispielsweise ein Leck innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung frühzeitig detektieren zu können. Der Anodengasauslass ist mit der Umluftvorrichtung verbunden und der Kathodengasauslass ist mit der Umluftvorrichtung verbunden. Somit werden aus dem Anodenwasser freigesetzter Wasserstoff und aus dem Kathodenwasser freigesetzter Sauerstoff in die Umluftvorrichtung überführt. Der Anodenwassereinlass ist mit der Anodenseite der Brennstoffzellenvorrichtung verbunden und der Kathodenwassereinlass mit der Kathodenseite der Brennstoffzellenvorrichtung verbunden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank einen Anodenspülgaseinlass im Anodenwasserbereich und einen Kathodenspülgaseinlass im Kathodenwasserbereich auf. Die Brennstoffzellenvorrichtung ist mit dem Anodenspülgaseinlass und dem Kathodenspülgaseinlass zur Überführung von Spülgas verbunden. Auf diese Weise können Spülgase aus dem Anodenbereich der Brennstoffzellenvorrichtung in den Anodenwasserbereich und Spülgase aus dem Kathodenbereich der Brennstoffzellenvorrichtung in den Kathodenwasserbereich geleitet werden. Hierdurch ist zu einen eine gemeinsame sichere Entsorgung insbesondere des Wasserstoffs möglich. Zum anderen kann so auch vom Spülgas mitgeschlepptes Wasser leicht abgetrennt werden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Umluftvorrichtung ein Gebläse und einen Katalysator auf. Als Katalysator eigenen sich beispielsweise Platinmetalle, an denen Wasserstoff und Sauerstoff auch in geringen Konzentrationen zu Wasser reagieren.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank wenigstens eine erste Druckmessvorrichtung auf. Bevorzugt weist der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank wenigstens eine erste Druckmessvorrichtung und eine zweite Druckmessvorrichtung auf. Die erste Druckmessvorrichtung ist vorzugsweise im Anodenwasserbereich, besonders bevorzugt im oberen, gasgefüllten Bereich, insbesondere oberhalb des Übergabepunktes angeordnet. Die zweite Druckmessvorrichtung ist vorzugsweise im Kathodenwasserbereich, besonders bevorzugt im oberen, gasgefüllten Bereich, insbesondere oberhalb des Übergabepunktes angeordnet. Hierdurch ist feststellbar, ob beispielsweise durch Probleme hinter dem Anodengasauslass oder dem Kathodengasauslass es zu einem Druckunterschied kommt. Dieses könnte dazu führen, dass beispielsweise sauerstoffhaltiges Gas aus dem Kathodenwasserbereich durch den Übergabepunkt in den Anodenwasserbereich gedrückt werden könnte, was wiederum im schlimmsten Fall ein zündfähiges Gasgemisch erzeugen könnte.
Bevorzugt ist das Unterwasserfahrzeug ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug, besonders bevorzugt ein modulares unbemanntes Unterwasserfahrzeug.
Nachfolgend ist der erfindungsgemäße Brennstoffzellenabwasserentgasungstank anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 Brennstoffzellenabwasserentgasungstank
Fig. 2 modulares Unterwasserfahrzeug
In Fig. 1 ist ein beispielhafter Brennstoffzellenabwasserentgasungstank 10 gezeigt.
Der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank 10 weist ein Gehäuse 20 auf. Innerhalb des Gehäuses 20 ist ein Anodenwasserbereich 30 und ein Kathodenwasserbereich 40 angeordnet, die räumlich getrennt sind. In den Anodenwasserbereich 30 führt ein Anodenspülgaseinlass 31 , über den Spülgas aus der Anodenseite der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführt werden kann, und ein Anodenwassereinlass 32, über den Wasser aus der Anodenseite einer Brennstoffzellenvorrichtung 110 zugeführt werden kann. Über den Anodengasauslass 34 kann Gas, welches entweder über den Anodenspülgaseinlass 31 oder den Anodenwassereinlass 32 zugeführt oder aus dem Anodenwasser ausgegast ist, abgeführt werden. In den Kathodenwasserbereich 40 führt ein Kathodenspülgaseinlass 41 über den Spülgas aus der Kathodenseite der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführt werden kann, und ein Kathodenwassereinlass 42, über den Wasser aus der Kathodenseite einer Brennstoffzellenvorrichtung 110 zugeführt werden kann. Über den Kathodengasauslass 44 kann Gas, welches entweder über den Kathodenspülgasanschluss 41 oder den Kathodenwassereinlass 42 zugeführt oder aus dem Kathodenwasser ausgegast ist, abgeführt werden.
Um das Ausgasen von gelösten Gasen zu verbessern, kann in den Anodenwassereinlass 32 eine Anodensprühdüse 33 eingebaut werden. Durch das Versprühen wird ein verbessertes Entgasen erreicht. Auch in den Kathodenwassereinlass 42 kann eine Kathodensprühdüse 33 eingebaut werden.
Der Anodenwasserbereich 30 und der Kathodenwasserbereich 40 sind zur Überführung von Wasser aus dem Anodenwasserbereich 30 in den Kathodenwasserbereich 40 verbunden. Steigt der Flüssigkeitsspiegel in dem Anodenwasserbereich 30 über den Übergabepunkt 50, so strömt Wasser in den Wassereinlass 52 ein und durch den Übergabepunkt 50 in den Kathodenwasserbereich 40.
Im Kathodenwasserbereich 40 ist ein Wasserauslass 60 angeordnet. Aus dem Wasserauslass 60 Wasser mittel der Pumpe 74 über das Ventil 76 in die Rückführungsleitung 72 und über den Rückflusseinlass 70 wieder in den Kathodenwasserbereich 40 gefördert werden. Zur Verbesserung der Ausgasung von gelösten Gasen ist im Rückflusseinlass 70 eine Rücklaufsprühdüse 71 eingebaut. Alternativ kann das Ventil 76 umgestellt werden, sodass das Wasser mittels der Pumpe 74 in einen Wassertank 130 gefördert werden kann.
Fig. 2 zeigt ein modulares Unterwasserfahrzeug 200. Das Unterwasserfahrzeug 200 weist beispielhaft drei Module auf, ein Energieerzeugungsmodul 210, ein Antriebsmodul 220 und ein Tankmodul 230. Im Tankmodul 230 ist ein Wasserstofftank 232, ein Sauerstofftank 234 und der Wassertank 130 angeordnet. Vorteil des modularen Konzepts ist, dass durch mehrere Tankmodule 230 die Reichweite praktisch vergrößert werden kann, also eine sehr leichte Anpassung an die Missionsanforderungen möglich ist. Das Antriebsmodul 220 weist einen Fahrmotor 222 auf, welcher durch die Brennstoffzellenvorrichtung 110 des Energieerzeugungsmoduls 210 mit Energie versorgt wird. Alle drei Module weisen eine Struktur 240, beispielsweise einen Stahlrahmen auf.
Das Energieerzeugungsmodul 210 weist einen Druckkörper 140 auf. Innerhalb des Druckkörpers 140 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung 110 angeordnet, in der Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser umgesetzt und so elektrische Energie gewonnen wird. Bevorzugt handelt es sich um eine Rezirkulationsbrennstoffzellenvorrichtung mit einem Anodenwasserabscheider und einem Kathodenwasserabscheider. Das Anodenwasser wird über den Anodenwassereinlass 32 des Brennstoffzellenabwasserentgasungstanks in den Anodenwasserbereich 30 eingebracht, das Kathodenwasser wird über den Kathodenwassereinlass 42 des Brennstoffzellenabwasserentgasungstank in den Kathodenwasserbereich 40 eingebracht. Der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank 10 ist mit einem Wassertank 130 verbunden. Der Vorteil ist, dass sich die Masse des Unterwasserfahrzeugs 200 nicht ändert und so der Auftrieb sich nicht ändert. Über den Anodengasauslass 34 wird wasserstoffhaltiges Anodengas und über den Anodengasauslass 44 wird sauerstoffhaltiges Kathodengas in die Umluftvorrichtung 120 in Form eines Rohrsystems mit Umluftgebläse 122 und Katalysator 124 gefördert. Im Katalysator 124 können Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser umgesetzt werden.
Bezugszeichen
10 Brennstoffzellenabwasserentgasungstank
20 Gehäuse
30 Anodenwasserbereich
31 Anodenspülgaseinlass
32 Anodenwassereinlass
33 Anodensprühdüse
34 Anodengasauslass
40 Kathodenwasserbereich Kathodenspülgaseinlass Kathodenwassereinlass Kathodensprühdüse Kathodengasauslass Übergabepunkt Wassereinlass Wasserauslass Rückflusseinlass Rücklaufsprühdüse Rückführungsleitung Pumpe Ventil Brennstoffzellenvorrichtung Umluftvorrichtung Umluftgebläse Katalysator Wassertank Druckkörper Wasserfahrzeug Energieerzeugungsmodul Antriebsmodul Fahrmotor Tankmodul Wasserstofftank Sauerstofftank Struktur

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellenabwasserentgasungstank (10), wobei der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank (10) ein Gehäuse (20) aufweist, wobei der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank (10) einen in dem Gehäuse (20) angeordneten Anodenwasserbereich (30) und einen Kathodenwasserbereich (40) aufweist, wobei der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank (10) einen im Anodenwasserbereich (30) angeordneten Anodenwassereinlass (32) und einen im Kathodenwasserbereich (40) angeordneten Kathodenwassereinlass (42) aufweist, wobei der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank (10) einen im Kathodenwasserbereich (40) angeordneten Wasserauslass (60) aufweist, wobei der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank (10) im Anodenwasserbereich (30) einen Anodengasauslass (34) aufweist, wobei der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank (10) im Kathodenwasserbereich (40) einen Kathodengasauslass (44) aufweist, wobei zwischen dem Anodenwasserbereich (30) und dem Kathodenwasserbereich (40) eine Wasserüberführung vorhanden ist, wobei die Wasserüberführung permanent offen und durchströmbar ist, wobei die Wasserüberführung einen Wassereinlass (52) im Anodenwasserbereich (30) aufweist, wobei die Wasserüberführung einen Übergabepunkt (50) aufweist, wobei der Übergabepunkt (50) am Übergang vom Anodenwasserbereich (30) zum Kathodenwasserbereich (40) angeordnet ist, wobei der Wassereinlass (52) unterhalb des Übergabepunktes (50) angeordnet ist.
2. Brennstoffzellenabwasserentgasungstank (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenwasserbereich (30) eine Höhe hA aufweist, wobei der Wassereinlass (52) in den unteren 10 % der Höhe hA angeordnet ist, wobei der Übergabepunkt (50) in den oberen 50 % der Höhe hA angeordnet ist.
3. Brennstoffzellenabwasserentgasungstank (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassereinlass (52) und der Übergabepunkt (50) durch ein Rohr miteinander verbunden sind.
4. Brennstoffzellenabwasserentgasungstank (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank (10) im Kathodenwasserbereich (40) einen Rückflusseinlass (70) aufweist, wobei der Wasserauslass (60) und der Rückflusseinlass (70) über eine Pumpe (74) verbindbar sind.
5. Brennstoffzellenabwasserentgasungstank (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserauslass (60) über eine Pumpe (74) mit einem Wassertank (130) verbindbar ist.
6. Unterwasserfahrzeug (200) mit einem Druckkörper (140), wobei das Unterwasserfahrzeug (200) im Druckkörper (140) eine Brennstoffzellenvorrichtung (110), einen Brennstoffzellenabwasserentgasungstank (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche und eine Umluftvorrichtung (120) aufweist, wobei der Anodengasauslass (34) mit der Umluftvorrichtung (120) verbunden ist, wobei der Kathodengasauslass (44) mit der Umluftvorrichtung (120) verbunden ist, wobei der Anodenwassereinlass (32) mit der Anodenseite der Brennstoffzellenvorrichtung (110) verbunden ist, wobei der Kathodenwassereinlass (42) mit der Kathodenseite der Brennstoffzellenvorrichtung (110) verbunden ist.
7. Unterwasserfahrzeug (200) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenabwasserentgasungstank (10) einen Anodenspülgaseinlass (31 ) im Anodenwasserbereich (30) und einen Kathodenspülgaseinlass (41 ) im Kathodenwasserbereich (40) aufweist, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung (110) mit dem Anodenspülgaseinlass (31 ) und dem Kathodenspülgaseinlass (41 ) zur Überführung von Spülgas verbunden ist.
8. Unterwasserfahrzeug (200) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umluftvorrichtung (120) eine Gebläse und einen Katalysator (124) aufweist.
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