DE-102024210733-A1 - Vorrichtung zur Bestimmung der Wasserstoff-Konzentration eines Abgases in einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem

Abstract

Vorrichtung (1) zur Bestimmung einer Wasserstoff-Konzentration eines Abgases in einer Abgasleitung (12) eines Brennstoffzellensystems (100), mit einem Sensor (14), welcher in einem Rohrabschnitt (2) angeordnet ist, wobei der Rohrabschnitt (2) eine Einströmöffnung (4) und eine Ausströmöffnung (6) aufweist, wobei durch ein Mischelement (8), ein Fluid, welches durch die Einströmöffnung (4) strömt, vermischt wird, so dass unterschiedliche Komponenten innerhalb des Abgases eine homogene Verteilung aufweisen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Mischelement (8) zumindest einen Anschluss (41, 42) für zumindest eine Purge und/oder Drain Leitung (40, 60) aufweist und dieser zumindest eine Einströmöffnung (61, 62) aufweist, die senkrecht und außermittig zu einer Achse (9) des Mischelements (8) ausgebildet ist. Ferner umfasst die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (100) mit mindestens einem Brennstoffzellenstack (101), einem Luftpfad (10), wobei über den Luftpfad (10) Luft aus der Umgebung zur Brennstoffzelle gelangt, einer Abgasleitung (12), einer Brennstoffleitung (20), wobei über die Brennstoffleitung (20) Brennstoff zum Brennstoffzellenstack (101) transportiert wird, und einer Zirkulationsleitung (50), wobei die Zirkulationsleitung (50) eine Purgeleitung (40) aufweist und sie zeichnet sich dadurch aus, dass in der Abgasleitung (12) eine erfindungsgemäße Vorrichtung (1) angeordnet ist.

Inventors

• Anne-Kathrin Schilpp
• Reinhard Schmid

Assignees

• Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241107

Claims (8)

1. Vorrichtung (1) zur Bestimmung einer Wasserstoff-Konzentration eines Abgases in einer Abgasleitung (12) eines Brennstoffzellensystems (100), mit einem Sensor (14), welcher in einem Rohrabschnitt (2) angeordnet ist, wobei der Rohrabschnitt (2) eine Einströmöffnung (4) und eine Ausströmöffnung (6) aufweist, wobei durch ein Mischelement (8), ein Fluid, welches durch die Einströmöffnung (4) strömt, vermischt wird, so dass unterschiedliche Komponenten innerhalb des Abgases eine homogene Verteilung aufweisen, dadurch gekennzeichnet dass das Mischelement (8) zumindest einen Anschluss (41, 42) für zumindest eine Purge und/oder Drain Leitung (40, 60) aufweist und dieser zumindest eine Einströmöffnung (61, 62) aufweist, die senkrecht und außermittig zu einer Achse (9) des Mischelements (8) ausgebildet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass das Mischelement (8) einen ersten Anschluss (41) für eine anodenseitige Leitung (40) aufweist, wobei über den Anschluss (41) ein Stoffstrom der anodenseitigen Leitung (40) in das Mischelement (8) einleitbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet , dass die anodenseitige Leitung (40) eine Purge-Drain-Leitung (40) ist und der Stoffstrom ein Purge- und/oder Drainstrom ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Mischelement (8) einen zweiten Anschluss (42) für eine kathodenseitige Leitung (60) aufweist, wobei über den Anschluss (42) ein Stoffstrom der kathodenseitige Leitung (60) in das Mischelement (8) einleitbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet , dass die kathodenseitige Leitung (60) eine Drain-Leitung (60) ist und der Stoffstrom ein Drainstrom ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Anschlüsse (41, 42) einteilig oder als separate Bauteile an dem Mischelement (8) angeordnet sind.
7. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Sensor (14) an einer Außenwand (3) des Rohrabschnittes (2) oder an dem Mischelement (8) befestigt ist.
8. Brennstoffzellensystem (100) mit mindestens einem Brennstoffzellenstack (101), einem Luftpfad (10), wobei über den Luftpfad (10) Luft aus der Umgebung zur Brennstoffzelle gelangt, einer Abgasleitung (12), einer Brennstoffleitung (20), wobei über die Brennstoffleitung (20) Brennstoff zum Brennstoffzellenstack (101) transportiert wird, und einer Zirkulationsleitung (50), wobei die Zirkulationsleitung (50) eine Purgeleitung (40) aufweist, dadurch gekennzeichnet , dass in der Abgasleitung (12) eine Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Wasserstoff-Konzentration eines Abgases in einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 8. Stand der Technik Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren, und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellen werden meistens zu einem Brennstoffzellenstack zusammengebaut. Die Brennstoffzellenstacks brauchen Sauerstoff, zumeist gewonnen aus der einfachen Luft aus der Umgebung, und Brennstoff, zumeist Wasserstoff, für die chemische Reaktion. Es ist bekannt, dass über den Luftmassenstrom, welcher dem Brennstoffzellenstack über den Luftpfad zugeführt wird, Stickstoff an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstacks gelangt. Dieser Stickstoff diffundiert in Teilen über die Membran des Brennstoffzellenstacks auf die Anodenseite und verdrängt den Wasserstoff an der Anodenseite, so dass die normalen Reaktionen gehemmt werden. Um den Stickstoffanteil auf der Anodenseite zu reduzieren, kann durch ein Ventil mit einer Spülleitung von der Anodenseite bzw. von der Zirkulationsleitung zur Abgasleitung der Brennstoffzelle führen, um das Anodengas mit einem hohen Anteil an Stickstoff über die Abgasleitung in die Umgebung zu leiten. Um den Anteil von Wasserstoff in der Abgasleitung zu überprüfen, ist in der Abgasleitung ein Wasserstoff-Sensor angeordnet. Das Entfernen von Stickstoff wird auch „Purge“ und das Entfernen von Wasser „Drain“ genannt. Aus dem Luftstrom wird das Produktwasser über einen Wasserabscheider ebenfalls separiert, um eine Beschädigung der Turbine am Luftauslass zu verhindern. Die Abführung der Stoffströme von Purge und Drain aus Anode sowie des Drains aus der Kathode erfolgen in der Regel in den Kathodenabluftpfad der Brennstoffzelle. Offenbarung der Erfindung Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Wasserstoff-Konzentration eines Abgases in einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems und das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen gemäß der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass eine verbesserte Durchmischung des Wasserstoffs innerhalb eines Mischelements stattfindet und dadurch mit einer höheren Genauigkeit der Wasserstoffgehalt in der Abgasleitung bestimmt werden kann. Dies ist wichtig, damit gegebenenfalls Maßnahmen getroffen werden können, um eine zu hohe Konzentration an Wasserstoff und damit ein explosionsfähiges Gemisch zu vermeiden. Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Wasserstoff-Konzentration eines Abgases in einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems, mit einem Sensor, welcher in einem Rohrabschnitt angeordnet ist, wobei der Rohrabschnitt eine Einströmöffnung und eine Ausströmöffnung aufweist, wobei durch ein Mischelement, ein Fluid, welches durch die Einströmöffnung strömt, vermischt wird, so dass unterschiedliche Komponenten innerhalb des Abgases eine homogene Verteilung aufweisen. Erfindungsgemäß weist das Mischelement zumindest einen Anschluss für zumindest eine Purge und/oder Drain Leitung auf und dieser weist zumindest eine Einströmöffnung auf, die senkrecht und außermittig zu einer Achse des Mischelements ausgebildet ist. Im Mischelement, bzw. Wassersammelblock findet die Zuführung des sogenannten Purge und Drain ins Kathoden-Abluftsystems statt. Ein außermittiges Einblasen des Anoden-Drains erzeugt eine Verwirbelung im Kathoden-Abluftpfad, was in vorteilhafter Weise zu einer schnelleren Durchmischung des Wasserstoffs mit der Luft führt. Deswegen kann die Mischstrecke verkürzt ausfallen. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine kompaktere Bauweise des Abluftpfades. Ohne die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht die Gefahr, dass der Sensor eine zu geringe oder zu hohe Konzentration von Wasserstoff im Abgas detektiert, da sich das Purgegas nicht gleichmäßig in der Abgasleitung verteilt hat und eventuell an der Position des Sensors lokal eine zu geringe oder zu hohe Konzentration von Wasserstoff vorliegt, die nicht mit dem mittleren Konzentrationswert übereinstimmt. Prinzipbedingt kann nicht verhindert werden, dass neben dem gewünschten Stickstoff und Wasser auch unerwünscht Wasserstoff auf die Kathodenauslassseite gelangt. Aus Gründen der Wasserstoffsicherheit muss beim Purge und Drain gewährleistet werden, dass die Wasserstoffkonzentration in der Kathoden-Abluft bestimmte kritische Grenzen nicht überschreitet. Dazu wird im Abluftpfad stromabwärts ein Wasserstoffsensor angebracht, der eine ausreichend gute Durchmischung von Wasserstoff und Luft benötigt, um die Wasserstoffkonzentration zuverlässig zu messen. Falls eine zu hohe Konzentration von Wasserstoff detektiert wird, besteht die Möglichkeit einer gezielten Erhöhung des Luftmassenstromes in der Abgasleitung, welcher eventuell über eine Bypassverbindung direkt au