Abscheidesystem für ein Brennstoffzellensystem

Die Erfindung betrifft ein Abscheidesystem für ein Brennstoffzellensystem mit einem ersten nach oben offenen Behälter zur Trennung einer Flüssigkeit aus einem Zweiphasengemisch, mit einem Zulauf, über den das Zweiphasengemisch zuführbar ist, einem ersten, oberen Auslass, über den das Gas abführbar ist und einem zweiten, unteren Auslass, über den die Flüssigkeit abführbar ist und einem zweiten nach oben offenen Behälter mit einem Ablauf.

Brennstoffzellensysteme werden sowohl in Fleizgeräten in Flaushalten als auch in mobilen Anwendungen genutzt, wie beispielsweise zur Erzeugung von Strom zum Antrieb eines Elektromotors eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs.

Beim Betrieb von PEM-Brennstoffzellen ist jedoch der Wassergehalt ein kritischer Parameter. Das bei der Reaktion an der Kathode entstehende Wasser beziehungsweise der Wasserdampf muss ausgetragen werden, um ein Kondensieren und Benetzen der Katalysatoroberfläche zu verhindern, da andernfalls die Leistungsdichte der Brennstoffzelle sinkt. Zusätzlich behindert flüssiges Wasser den Gastransport in der Diffusionsschicht, während die Ionenleitfähigkeit der Membran mit dem Wassergehalt steigt. Das entstehende Wasser fällt zunächst an der Kathodenseite bei der Reaktion an, gelangt jedoch auch zum Teil an die Anodenseite, da der an der Kathode entstehende Wasserdampf beziehungsweise das entstehende Wasser teilweise durch die Membran diffundiert beziehungsweise durch die Dipoleigenschaften der Wassermoleküle durch die Membran hindurchtritt. Für einen stabilen Zellbetrieb im Bereich der maximalen Leistungsdichte ist es entsprechend erforderlich, den Wasserhaushalt der Zelle zu optimieren, wozu wiederum die Menge anfallenden Kondenswassers sowohl an der Kathode als auch an der Anode bestimmt werden muss.

Aus diesem Grund muss ein Abscheidesystem für

Brennstoffzellensystemen, insbesondere PEM -Brennstoffzellensystemen geschaffen werden, um das im Kathodenkreis, Anodenkreis- und/oder im Abgasstrom enthaltene, Wasser und Wasserdampf aufweisende Zweiphasengemisch in die Bestandteile Gas und Kondensat aufzuspalten und die entstehende Kondensatmenge pro Zeiteinheit zu bestimmen.

Ein Gasabscheider, bei dem das anfallende Wasser beziehungsweise die anfallende Flüssigkeit abgeführt wird, ist aus der DE 10 2016 116 989 Al bekannt. Dem messrohrförmigen Gasabscheider wird ein mehrphasiges Medium zugeführt, welches in einem Messrohr über eine Wehr strömt, wodurch ein Flachwasserbereich gebildet wird, bei dessen Überströmung das Gas von der Flüssigkeit getrennt wird. An dem Messrohr ist eine obere Öffnung zur Abfuhr des Gases vorgesehen, während die Flüssigkeit hinter der Wehr weiter entlang einer schrägen Ebene zum Flüssigkeitsauslass strömt, an dem ein Durchflussmesser zur Bestimmung des Flüssigkeitsdurchflusses angeordnet ist.

Dieser Gasabscheider eignet sich jedoch nicht für ein Brennstoffzellensystem, da das Kondensat nicht kontinuierlich anfällt, wodurch am Durchflussmesser nicht kontinuierlich ein Durchfluss vorliegt, sondern entweder teilweise keine Flüssigkeit vorhanden ist oder eine Entleerung diskontinuierlich erfolgen muss.

Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Abscheidesystem bereit zu stellen, mit dem die anfallenden Kondensatmengen kontinuierlich und genau gemessen werden können und andererseits möglichst wenig Bauraum benötigt wird. Diese Aufgabe wird durch ein Abscheidesystem, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.

Das Abscheidesystem weist zwei über ein Messrohr miteinander verbundene und nach oben offene Behälter auf, so dass es sich um kommunizierende Gefäße handelt, in denen der Flüssigkeitsstand immer gleich ist. Der Flüssigkeitsspiegel befindet sich somit in beiden Behältern immer auf einer Äquipotentiallinie zumindest solange eine Abfuhr der Flüssigkeitsmenge aus dem ersten Behälter beziehungsweise aus dem zweiten Behälter genauso schnell möglich ist, wie die Zufuhr der Flüssigkeit in den entsprechenden Behälter erfolgt. Die Begriffe oben, unten, oberhalb oder unterhalb sind somit entsprechend des Gravitationspotentials beziehungsweise in Bezug zum Mittelpunkt der Erde definiert. Eine gleiche Höhe bedeutet entsprechend eine Anordnung auf einer Äquipotentiallinie der Schwerkraft. Entsprechend bedeutet geodätisch oberer Auslass, dass es sich um einen Auslass handelt der eine weitere Entfernung vom Erdmittelpunkt hat als ein unterer Auslass. Bei der Definition oberhalb eines Bodens ist somit gemeint, dass die Entfernung zum Schwerpunkt der Erde größer ist als die Entfernung des Bodens zur Erde oder anders ausgedrückt, dass das Gravitationspotential geringer ist als am Boden. Entsprechend strömt ein Mehrphasengemisch über einen Zulauf in einen ersten nach oben offenen Behälter. In diesem Behälter erfolgt eine Trennung der Flüssigkeit aus dem Mehrphasengemisch. Das Gas wird über einen ersten, geodätisch oberen Auslass abgeführt, während die Flüssigkeit über einen zweiten, unteren Auslass in ein Messrohr und von dort in einen zweiten, nach oben offenen Behälter strömt, in dem ein Ablauf vorgesehen ist, dessen Ablauföffnung geodätisch oberhalb eines Bodens des ersten Behälters und oberhalb eines Bodens des zweiten Behälters angeordnet ist. Der zweite Auslass des ersten Behälters ist somit über ein Messrohr mit einem Einlass in den zweiten Behälter fluidisch verbunden. Am Messrohr oder im Messrohr ist erfindungsgemäß geodätisch unterhalb der Ablauföffnung ein Messgerät beziehungsweise die notwendigen Sensoren eines Messgerätes angeordnet, welches einen Durchfluss im Messrohr zwischen dem ersten Behälter und dem zweiten Behälter misst. Dabei ist es nicht wesentlich, dass das gesamte Messgerät eine direkte mechanische Verbindung zum Messrohr aufweist und unterhalb der Ablauföffnung angeordnet ist, sondern dass die der Flüssigkeitsstrom im Messrohr selbst unterhalb der Ablauföffnung mittels des Messgerätes gemessen wird. Das Messgerät dient entsprechend zur Durchflussmessung im Messrohr unterhalb der Ablauföffnung, so dass die Messungen geodätisch unterhalb der Ablauföffnung erfolgen, wodurch das Durchflussmessgerät immer im von der Flüssigkeit durchströmten Bereich misst. Flierdurch sind auch kleine Strömungen messbar, da immer der gesamte Querschnitt durchströmt wird. Das Abscheidesystem ist entsprechend einmalig bis zur Ablauföffnung zu füllen. Wenn dies geschehen ist, werden alle darauffolgenden Strömungsvorgänge vom Messgerät aufgenommen, da diese Strömung immer vollständig vom ersten Behälter zum zweiten Behälter und von dort zum Ablauf erfolgen wird. So werden auf geringem Raum sehr genaue Messungen auch bei kleinen Kondensatmengen möglich, welche kontinuierlich durchgeführt werden können.

Vorzugsweise ist das Messgerät ein Ultraschallsensor, welcher unabhängig von den vorliegenden Umgebungsbedingungen auch Durchflüsse transparenter Stoffe messen kann. Des Weiteren erfolgt die Messung berührungslos, so dass die Strömung nicht beeinflusst wird.

Vorteilhafterweise ist der Zulauf in den ersten Behälter geodätisch oberhalb der Ablauföffnung des Ablaufs im zweiten Behälter angeordnet. Entsprechend muss das Mehrphasengemisch entlang eines freien, nicht mit Flüssigkeit gefüllten Bereiches strömen, in dem die beiden Phasen aufgrund des Gleitens entlang der Oberfläche gut voneinander getrennt werden. Um diese Abscheidung zusätzlich zu verbessern, ist geodätisch oberhalb der Ablauföffnung des zweiten Behälters im ersten Behälter unterhalb des Zulaufs eine vom Zulauf in Richtung zum zweiten Auslass abfallende schiefe Ebene ausgebildet. Entsprechend wird die Strecke entlang derer das Mehrphasengemisch oberhalb der Flüssigkeitssäule entlang gleitet verlängert und somit der Abscheidegrad erhöht.

Vorzugsweise ist das Messrohr vom ersten Behälter zum zweiten Behälter steigend ausgebildet, wodurch eine zusätzliche Entgasung erreicht wird.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn am ersten Auslass des ersten Behälters ein Netz, Sieb oder Geflecht angeordnet ist, welches dazu dient, zu verhindern, dass größere Tropfen im Gas das Abscheidesystem über den ersten Auslass verlassen.

Besonders wenig Bauraum wird benötigt, wenn der erste Behälter konzentrisch zum zweiten Behälter angeordnet ist, so dass die beiden Behälter entsprechend radial ineinander angeordnet sind. Auch werden hierdurch Materialkosten reduziert, da weniger Material benötigt wird, da die Außenwand des innenliegenden Behälters gleichzeitig die Innenwand des äußeren Behälters bildet.

In einer hierzu weiterführenden Ausbildung ist der zweite Behälter radial innerhalb des ersten Behälters angeordnet, so dass weiterhin der Zulauf einfach erreichbar und anschließbar ist. Des Weiteren kann die schiefe Ebene als einfache Spirale zwischen den beiden Mantelflächen der Behälter ausgebildet werden, wodurch ein guter Abscheidegrad sichergestellt wird.

Somit erstreckt sich das Messrohr mit seinem stromabwärtigen Ende durch den ersten Behälter zum Einlass des zweiten Behälters. So können kurze Verbindungen mit geringen Trägheitsverzögerungen bei der Messung sichergestellt werden. Auch ist es vorteilhaft, wenn ein geodätisch unterer Bereich der Ablauföffnung nicht stetig ausgeführt ist. Bei einer auf einer Äquipotentiallinie ausgebildeten Ablauföffnung besteht die Gefahr, dass durch Oberflächenspannungen leicht unterschiedliche Füllhöhen entstehen, welche die Messung verfälschen würden. Dies wird durch die nicht stetige Ausführung verhindert, da hierdurch keine sich über den Umfang erstreckende gleiche Oberflächenspannung erzeugt wird.

Diese nicht stetige Ausführung lässt sich besonders einfach hersteilen, indem eine Kante der Ablauföffnung auf einer Äquipotentiallinie angeordnet ist, welche durch zumindest eine Kerbe unterbrochen ist.

In einer weiterführenden Ausführungsform ist im ersten Behälter ein erster Niveausensor angeordnet. Durch diesen Niveausensor kann bei einer kontinuierlichen Durchflussmessung ein Fehler aufgrund der Verzögerung beim Aufbau und Abbau der vorliegenden Druckdifferenz zwischen den beiden Behältern, der die Strömung im Messrohr verursacht, herausgerechnet werden. Flierzu kann beispielsweise das aus dem Höhenunterschied berechnete gespeicherte Volumen im ersten Behälter zu den Messwerten des Durchflussmessers hinzuaddiert werden.

Um dabei sicherzugehen, dass das Volumen im zweiten Behälter dem Niveau bis zur Ablauföffnung entspricht, kann zusätzlich im zweiten Behälter ein Niveausensor angeordnet werden, so dass immer die tatsächliche Volumendifferenz aufaddiert wird.

Um ein Überlaufen des ersten Behälters in die Umgebung und damit Schäden zu vermeiden, ist zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter ein Überlauf vorgesehen, der geodätisch über der Ablauföffnung des zweiten Behälters angeordnet ist. Entsprechend kann bei Auftreten einer zu großen, nicht mehr über das Messrohr ableitbaren Kondensatmenge, dieses über den Auslauf des zweiten Behälters zuverlässig abgeführt werden.

Eine weitere Verbesserung der Messwerte kann erreicht werden, indem stromaufwärts des zweiten Behälters ein Wärmetauscher zur Konditionierung angeordnet ist. Dieser Wärmetauscher, der als Kühler ausgeführt werden kann - insbesondere als einfacher Kühler, dient dazu, eine zusätzliche Kondensation im Zweiphasengemisch zu erreichen, so dass ein größerer Anteil Wasser im flüssigen Zustand abgeschieden werden kann. Hierdurch werden genauere Aussagen zur im System vorhandenen Wassermenge möglich.

Es wird somit ein Abscheidesystem für ein Mehrphasengemisch bereitgestellt, mit dem einerseits hohe Abscheideraten erreicht werden und andererseits genaue Kondensatmengenmessungen beziehungsweise Kondensatdurchflüsse kontinuierlich gemessen werden können. Bei der Verwendung in einem Brennstoffzellensystem erleichtert dies die Aussagen zum Wasserhaushalt und damit zur erreichbaren Leistungsdichte des Brennstoffzellensystems.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abscheidesystems, welches für ein Brennstoffzellensystem, aber auch für andere Mehrphasengemische wie beispielsweise Erdgas-Wasser-Gemische, geeignet ist, ist in den Figuren schematisch dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Die Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Abscheidesystems in Seitenansicht.

Die Figur 2 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abscheidesystems in geschnittener Darstellung. Das in der Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Abscheidesystem besteht aus einem ersten, nach oben offenen Behälter 10 sowie einem zweiten nach oben offenen Behälter 12, welche über ein Messrohr 14 miteinander verbunden sind.

Der erste Behälter 10 weist einen Zulauf 16 auf, über den beispielsweise bei der Verwendung des Abscheidesystems für ein Brennstoffzellensystem, ein Zweiphasengemisch 17, bestehend aus Luft, Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser, welches in flüssiger Phase vorliegt, in den Behälter 10 einströmt. Das Wasser ist im vorliegenden Fall ein Kondensat 18, welches bei den chemischen Reaktionen in der Brennstoffzelle entsteht und zumindest teilweise aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird. Dieses Zweiphasengemisch strömt oberflächlich entlang einer als schiefe Ebene 20 ausgebildeten Platte, an der sich die beiden Phasen voneinander trennen können. Das Gas kann nach oben über einen ersten, oberen Auslass 22 entweichen, an dem jedoch ein feinmaschiges Gitter, Sieb oder Netz 24 angebracht ist, um sicherzustellen, dass keine Tropfen vom Gas mit zum ersten Auslass 22 geschleppt werden, denn diese würden am Netz 24 abtropfen und zurück in den ersten Behälter 10 strömen.

Die Flüssigkeit, beziehungsweise das Kondensat 18 sammelt sich im ersten Behälter 10 und strömt über einen im unteren Bereich des ersten Behälters 10 angeordneten zweiten Auslass 26 in das Messrohr 14 und solange über einen Einlass 28 des zweiten Behälters 12 in den zweiten Behälter 12 bis ein Niveauausgleich zwischen den beiden Behältern 10, 12 hergestellt ist. Entsprechend funktioniert dieser Ausgleich über das Prinzip der kommunizierenden Gefäße, zwischen denen immer ein Ausgleich der Füllhöhen erfolgt, die also immer bis zu einer gemeinsamen Äquipotentialebene gefüllt sind. Die Füllhöhe wird im vorliegenden Fall durch eine Ablauföffnung 30 eines Ablaufs 32 aus dem zweiten Behälter 12 festgelegt, wobei es für den Niveauausgleich erforderlich ist, dass ein erster Boden 34 des ersten Behälters 10 und ein zweiter Boden 36 des zweiten Behälters 12 geodätisch unterhalb der Ablauföffnung 30 angeordnet sind.

Die Flüssigkeit wird nun immer bestrebt sein, einen Ausgleich bezüglich der Füllhöhen zwischen den beiden Behältern 10, 12 herzustellen, während diese Füllhöhe immer gleich ist, also der Ebene entspricht, die durch eine Kante 38 der Ablauföffnung 30 aufgespannt wird, es sei denn der Volumenstrom an Kondensat in den ersten Behälter 10 ist größer als der maximale Volumenstrom, der durch das Messrohr 14 strömen kann. Ist dies nicht der Fall, entspricht der Volumenstrom im Messrohr 14 dem Kondensatvolumenstrom in den ersten Behälter 10. Entsprechend wird der Volumenstrom im Messrohr 14 mittels eines Durchflussmessgerätes 40 gemessen, welches in vorliegendem Ausführungsbeispiel als Ulltraschallgerät mit zwei Sensoren 42, 44 ausgebildet ist, die am Messrohr 14 befestigt sind.

Für den Fall, dass sehr schnell kontinuierlich gemessen werden soll, so dass Zeitintervalle betrachtet werden müssen, in denen der Niveauausgleich zwischen den beiden Behältern gegebenenfalls noch nicht stattgefunden hat, sind im ersten Behälter 10 ein erster Niveausensor 46 und im zweiten Behälter 12 ein zweiter Niveausensor 48 angeordnet. Deren Messwerte können zusätzlich zu den Messwerten des Durchflussmessgerätes 40 verwendet werden, da die Differenz zwischen den beiden Niveausensoren 46, 48 einem Volumen entspricht, welches in der entsprechenden Zweiteinheit zusätzlich dem Behälter zugeströmt sein muss. Entsprechend kann die zeitliche Verzögerung durch den Abbau und Aufbau der Flöhendifferenz ausgeglichen werden, indem das daraus berechnete Volumen zum Integral des Durchflussmessgerätes 40 aufaddiert wird, so dass als Ergebnis das gesamte im Zeitabschnitt zugeströmte Volumen berechnet wird. Des Weiteren ist in der Figur 1 eine Vorkonditionierung des Zweiphasengemisches 17 mittels eines Wärmetauschers 50 dargestellt, der vor dem Zulauf 16 angeordnet ist, jedoch auch im Behälter 10 oder an dessen zweiten Auslass 26 angeordnet sein kann. Dieser Wärmetauscher 50 dient dazu, zusätzliches Wasser aus dem Zweiphasengemisch abzuscheiden, welches noch als Wasserdampf vorliegt, um eine genauere Wasserbilanz an der Brennstoffzelle zu ermöglichen.

Des Weiteren weist das Abscheidesystem einen Überlauf 52 auf, über welchen das Kondensat 18 bei zu großen Volumenströmen vom ersten Behälter 10 in den zweiten Behälter 12 und von dort zum Ablauf 32 strömen kann. Hierdurch wird somit ein Überlaufen des ersten Behälters 10 verhindert.

In Figur 2 ist ein derartiges Abscheidesystem bezüglich einer möglichen konstruktiven Ausgestaltung dargestellt. Die beiden offenen Behälter 10, 12 sind konzentrisch zueinander angeordnet, so dass der erste Behälter 10 den zweiten Behälter 12 radial umgibt, während die beiden Behälter 10, 12 einen gemeinsamen Boden 34, 36 aufweisen und eine Innenmantelfläche 54 des ersten Behälters 10 einer Außenmantelfläche 56 des zweiten Behälters 12 entspricht. Zwischen der Innenmantelfläche 54 des ersten Behälters 10 und einer Außenmantelfläche 58 ist eine spiralförmig verlaufende schiefe Ebene 60 ausgebildet, welche sich geodätisch oberhalb der Ablauföffnung 30 des zweiten Behälters 12 befindet, so dass auf dieser Ebene 60 bei Zulauf des Zweiphasengemisches 17 immer nur ein flacher Film entlang der schiefen Ebene 60 gleitet, was zu einer guten Abscheidung des Gases aus dem Kondensat 18 führt.

Das Messrohr 14 erstreckt sich aus dem zweiten Auslass 26 im unteren Bereich des ersten Behälters nach außen, wo die Messung mittels des Durchflussmessgerätes 40 durchgeführt wird und durch die Außenmantelfläche 58 des ersten Behälters 10 und durch den ersten Behälter 10 zur Innenmantelfläche 54 des ersten Behälters 10 beziehungsweise Außenmantelfläche 56 des zweiten Behälters 12, in der eine als Einlass 28 dienende Öffnung ausgebildet ist, so dass sich ein stromabwärtiges Ende 62 des Messrohres 14 durch den ersten Behälter 10 erstreckt. Das Messrohr 14 ist dabei vom ersten Behälter 10 zum zweiten Behälter 12 steigend ausgebildet, wodurch verhindert wird, dass sich im Messrohr 14 nicht gelöste Gase festsetzen.

Zusätzlich ist in der Figur 2 zu erkennen, dass an der Kante 38 der Ablauföffnung 30 eine Kerbe 64 ausgebildet ist, welche jedoch nicht groß genug ist, um als Ablauföffnung zu dienen, sondern lediglich die Oberflächenspannung in der Ebene der Ablauföffnung 30 stört, so dass sich aufgrund der Oberflächenspannungen nicht im zweiten Behälter 12 ein höheres Niveau ergibt.

Durch das vorliegende Abscheidesystem kann die anfallende Kondensatmenge in einem Brennstoffzellensystem sowohl kathodenseitig als auch anodenseitig sehr genau und kontinuierlich bestimmt werden. Auch abgasseitig ist ein derartiges System nutzbar. Das Abscheidesystem zeichnet sich durch seine kleine Bauform, hohen Abscheidegrad und genauen Messwerte aus. Mittels dieser Ergebnisse kann die Leistungsdichte einer Brennstoffzelle erhöht werden.

Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des vorliegenden Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist. Insbesondere kann ein derartiges Abscheidesystem nicht nur bei Brennstoffzellensystemen benutzt werden, sondern beispielsweise auch in anderen Bereichen, in denen Zweiphasengemische in einen flüssigen und einen gasförmigen Teil getrennt werden müssen, wie beispielsweise im Erdgasförder- oder -verbrennungsbereich, in denen das Wasser als Flüssigkeit vorliegt. Das Durchflussmessgerät kann beispielsweise auch als Messturbine oder Coriolismessgerät ausgeführt werden. Des Weiteren sind verschiedene Bauformen der miteinander verbundenen Gefäße oder Röhren denkbar.