DE10031241A1 - Kreislaufsystem zum Abscheiden von gelöstem und/oder mittrangsportiertem Kohlendioxid - Google Patents

Abstract

Ein Kreislaufsystem dient zum Abscheiden von gelöstem und/oder mittransportiertem CO¶2¶ aus einem Kühlmittel/Brennstoff-Volumenstrom in einem Anodenkreislauf einer Direkt-Methanol-Brennstoffzellenanlage, wobei der Anodenkreislauf zumindest einen Anodenraum der Brennstoffzellenanlage und wenigstens eine Pumpe umfaßt. Der Anodenkreislauf weist eine Entgasungseinrichtung auf, welche zwischen dem Anodenraum und der Pumpe in Strömungsrichtung des Volumenstroms vor der Pumpe angeordnet ist und wenigstens eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung aufweist. Die Entgasungseinrichtung weist in Strömungsrichtung des Volumenstroms nach der Eintrittsöffnung eine Zerstäubungseinrichtung (Sprühdüse) und einen Bereich (Gasableitungsbereich) mit einer Querschnittserweiterung auf. An den Bereich der Querschnittserweiterung schließt sich eine turbulente Strömungsanzeige an, welche in Strömungsrichtung vor der Austrittsöffnung angeordnet ist. Der Bereich der Querschnittserweiterung weist eine Ableitung für gasförmige Bestandteile des Volumenstroms auf. Die Ableitung führt durch einen Kühl-Wärmetauscher zu einer Trenneinrichtung und von der Trenneinrichtung führt ein Leitungselement für flüssige Bestandteile des Volumenstroms zu dem Bereich der Austrittsöffnung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kreislaufsystem zum Ab­ scheiden von gelöstem und/oder mittransportiertem Koh­ lendioxid nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Bei der Erzeugung von elektrischem Strom mittels einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle wird aus einem zusam­ men mit einem Kühlmittel, beispielsweise Wasser, in einem Anodenkreislauf zirkulierendem Brennstoff, übli­ cherweise Methanol, Strom erzeugt. Direkt proportional zu der dabei erfolgenden Oxidation des Methanols ent­ steht gasförmiges Kohlendioxid. In einem Anodenraum der Brennstoffzellenanlage wird das Gemisch aus Metha­ nol (CH₃OH) und Wasser (H₂O) in Protonen (H⁺), Elektro­ nen (e^-) und Kohlendioxid (CO₂) umgewandelt. Gemäß den Gesetzen der Löslichkeit von Gasen in Wasser kann da­ bei ein exakt definierter Teil, jeweils in Abhängig­ keit von dem im Anodenkreislauf vorliegendem Druck- und Temperaturniveau, des Kohlendioxidgases in Wasser gelöst werden. Dieses in Wasser gelöste Kohlendioxid bildet dann Kohlensäure, welche die Aggressivität des ohnehin schon sehr aggressiven in dem Kreislauf zirku­ lierenden Wasser/Methanol-Gemischs weiter erhöht.

Unter den üblichen Betriebsbedingungen des Anoden­ kreislaufs entsteht außerdem mehr Kohlendioxid als in dem flüssigen Wasser/Methanol-Gemisch gelöst werden kann. In dem Anodenkreislauf der Direkt-Methanol- Brennstoffzellenanlage entsteht damit eine Zweiphasen­ strömung, welche Wasser/Methanol/Kohlensäure und gas­ förmiges Kohlendioxid enthält. Da das Wasser in dem Anodenkreislauf umgepumpt wird, muß einerseits das zu elektrischer Energie verstromte Methanol ersetzt wer­ den, andererseits wird das verbrauchte Wasser auf der Kathodenseite der Brennstoffzellenanlage auskonden­ siert und in den Anodenkreislauf zurückgeführt.

Um einen Druckanstieg in dem Kreislauf zu vermeiden, muß außerdem sowohl das gasförmige Kohlendioxid als auch das in der Flüssigkeit des Anodenkreislaufs gelö­ ste Kohlendioxid aus dem Volumenstrom des Kreislaufsy­ stems abgeschieden werden.

Die DE 197 45 774 A1 beschreibt dazu eine Brennstoff­ zelle mit einer Entgasungseinrichtung. Die Brennstoff­ zelle weist eine Entgasungseinrichtung für den Brenn­ stoff, der der Brennstoffzelle zugeführt wird, auf. Die Gase werden aus dem flüssigen Brennstoff herausge­ löst und entsorgt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die unter einem Druck befindliche Flüs­ sigkeit schlagartig entspannt wird, was beispielsweise mit Hilfe einer Ultraschallquelle erreicht wird.

Eine derartige Ultraschallquelle zum Herauslösen des gelösten Kohlendioxids im Anodenkreislauf einer Di­ rekt-Methanol-Brennstoffzelle weist den Nachteil auf, daß diese einen sehr hohen apparativen Aufwand an Elektronik benötigt.

Außerdem liegt die Einsatztemperatur aller derzeit bekannten Ultraschallköpfe unter der üblichen Betrieb­ stemperatur einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle. Dies bedeutet, daß der Ultraschallkopf zusätzlich ge­ kühlt werden müßte, was den konstruktiven und appara­ tiven Aufwand sowie die dadurch erzeugten Wärmeverlu­ ste weiter erhöht.

Aus anderen Bereichen der Technik sind Systeme be­ kannt, welche zur Entgasung von Flüssigkeiten einge­ setzt werden können. So kennt man beispielsweise in der Getränkemittelindustrie Verfahren, in welchen eine Geschmacksbeeinflussung und/oder Haltbarkeitsmachung von Getränken dadurch realisiert wird, daß zuerst Koh­ lendioxid herausgelöst und dann definiert wieder zuge­ geben wird. Die Herauslösung des Kohlendioxid aus dem Getränk, beispielsweise aus Mineralwasser und derglei­ chen, erfolgt dabei über eine Bedruckung der Kohlendi­ oxidhaltigen Flüssigkeit über eine entsprechend lange Verweilzeit.

Genau diese Verweilzeit ist jedoch der Nachteil bei der Anwendung eines derartigen Verfahrens in einem kontinuierlich arbeitenden System, welches entspre­ chend hohe Anforderungen an einen dynamischen Betrieb stellt, wie dies beispielsweise bei einer Direkt- Methanol-Brennstoffzelle, insbesondere beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug, der Fall ist. Um nämlich mittels eines oben beschriebenen Verfahrensablaufs eine annä­ hernd vollständige Kohlendioxid-Ausgasung zu errei­ chen, müßte ein Raum mit einer entsprechend hohen Tem­ peratur bei entsprechend geringem Umgebungsdruck be­ reitgestellt werden, in dem das Kohlendioxid- Flüssigkeitsgemisch über eine vergleichsweise lange Verweilzeit verbleiben müßte. Beim Einsatz in einem entsprechenden Kreislaufsystem würde dies bedeuten, daß der erforderliche Raum sehr groß wird, da entspre­ chend der großen Verweilzeit eine große Leitungslänge in einer Entgasungseinrichtung erforderlich wäre.

Des weiteren zeigt die EP 0 558 577 B1 einen Sprühent­ gaser, wobei in einem Kessel ein Sprühraum angeordnet ist, welcher einen Radial-Zerstäuber aufweist, der die Flüssigkeit in einem oberhalb einer in dem Kessel ste­ henden Flüssigkeit befindlichen Bereich zerstäubt, um eine Entgasung zu erreichen.

Es ist hier von besonderem Nachteil, daß bei einer entsprechenden Sprühentgasung durch die starke Durch­ mischung von gasförmigen und flüssigen Bestandteilen, insbesondere wenn dies bei einer entsprechend hohen Temperatur erfolgt, sehr viele der flüssigen Bestand­ teile von dem Gasstrom mittransportiert werden, so daß hier ein sehr feuchtes Gas abgeleitet wird, welches dem Volumenstrom neben dem Gas selbst auch gasförmige Bestandteile der Flüssigkeit entzieht. Außerdem kann in diesem Verfahren das in der Flüssigkeit gelöste Gas nur unzureichend entfernt werden.

Eine weitere Ausführung dazu zeigt die DE 195 13 204 A1, in welcher ein Apparat zur Aufwärmung und Entga­ sung von Wasser vorgeschlagen wird. Dazu wird unterkühltes Wasser über ein Sprühventil aus einer Wasser­ zufuhrleitung in einen Mischraum eingesprüht. In dem Mischraum, in dem sich außerdem eine Kolonnenanordnung befindet, wird im Gegenstrom zu dem eingesprühten Was­ ser Heizdampf geführt, welcher einerseits für eine Aufwärmung und andererseits für eine Entgasung des Wassers sorgt.

Dieser energetisch sehr aufwendige Aufbau ist dabei lediglich in großtechnischen Anwendungen realisierbar, da die dort beschriebene Anordnung wegen der Gegen­ stromführung des Dampfs und der Zerstäubung des unter­ kühlten Wassers einen entsprechenden hohen Aufwand an Bauraum und Energie benötigt, welcher ihre Anwendung prinzipiell auf großtechnische Verfahren einschränkt.

Zum allgemeinen Stand der Technik sei außerdem auf die DE 196 26 516 A1 verwiesen, welche eine Vorrichtung zum On-Line-Entgasen von Wärmeträger- und Isolierflüs­ sigkeiten zeigt. Diese bedient sich einer zweckent­ sprechenden Anordnung von mittels Pumpe druckbeauf­ schlagtem und somit gasuntersättigtem Teil auf der Druckseite und Vakuum-Entgasungsgefäß mit vakuumbeauf­ schlagtem Sammelgefäß auf der Saugseite der Pumpe.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Kreislaufsystem zum Abscheiden von gelöstem und/oder mittransportier­ tem Kohlendioxid in einem Kühlmittel/Brennstoff­ volumenstrom in einem Anodenkreislauf einer Direkt- Methanol-Brennstoffzelienanlage zu schaffen, welches mittels eines kompakten Bauraums und unabhängig von der Temperatur der das Kreislaufsystem durchströmenden Flüssigkeit eine Abscheidung von gelöstem und/oder mittransportiertem Kohlendioxid als trockenes Kohlendioxidgas zu erreichen vermag.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Kreislaufsy­ stems kann ein besonderer Vorteil bezüglich der den Volumenstrom in dem Anodenkreislauf umwälzenden Pumpe erreicht werden. Durch die Anordnung der Entgasungs­ einrichtung zwischen dem Anodenraum, in welchem das Kohlendioxid nach den eingangs erwähnten Abläufen ent­ steht, und der Pumpe wird erreicht, daß keine gasför­ migen Bestandteile und praktisch kein in dem flüssigen Anteil des Volumenstroms gelöstes Gas in den Bereich der Pumpe gelangt. Das Auftreten von Kavitation im Bereich der Pumpe kann damit weitgehend vermieden wer­ den.

Andererseits wird durch die Querschnittserweiterung, entsprechend den strömungstechnischen Formulierungen von Bernoulli, in dem Anodenkreislauf eine Umwandlung der durch die Pumpe aufgebrachten Druckenergie in Strömungsenergie erzielt. Dies kann in einer sehr gün­ stigen und vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beispielsweise über Zerstäubungseinheiten erfolgen.

Durch die Querschnittserweiterung wird außerdem die Strömungsgeschwindigkeit herabgesetzt und somit die Verweilzeit in dem Bereich bei gleicher durchströmter Länge erhöht. Es kann also eine effiziente und durch die Erhöhung der Verweilzeit fast vollständige Ab­ scheidung der gasförmig in dem Zweiphasen-Volumenstrom vorliegenden Stoffe ermöglicht werden.

Anschließend an diesen Bereich ist eine turbulente Strömungszone ausgebildet. In dieser turbulenten Strö­ mungszone, durch welche eine flüssiger Anteil des Vo­ lumenstroms strömt, kommt es aufgrund entsprechender Einbauten, dies können gemäß sehr vorteilhaften Wei­ terbildungen der Erfindung beispielsweise Drahtge­ stricke, Spananhäufungen, statische Mischer oder der­ gleichen sein, zu einer sehr turbulenten Strömung des Volumenstroms. Dabei gilt, je turbulenter die Strömung in diesem Bereich ausgeführt werden kann, desto klei­ ner kann die Verweilzeit des Volumenstroms in diesem Bereich gewählt werden.

Durch die starken Turbulenzen wird dabei das in dem Volumenstrom gelöste Kohlendioxid-Gas aus dem Volumen­ strom ausgetrieben. Zusätzlich wird dieser Effekt ge­ mäß der Erfindung dadurch verstärkt, daß der Quer­ schnitt bzw. der Strömungsquerschnitt im Bereich der turbulenten Strömungszone wieder verringert wird, wäh­ rend er im Bereich nach der turbulenten Strömungszone, also in einem Bereich, in dem sich die die turbulente Strömungszone durchströmende Flüssigkeit nochmals sam­ melt ehe sie in den Bereich der Austrittsöffnung ge­ langt, wieder erweitert. Dadurch wird erreicht, daß im Bereich der turbulenten Strömungszone eine vergleichs­ weise hohe Strömungsgeschwindigkeit erreicht wird, welche sich danach entsprechend dem Kontinuitätsgesetz in dem Bereich einer erneuten Querschnittserweiterung wieder verringert. Dadurch läßt sich ebenfalls eine sehr hohe Verweilzeit des zuvor die turbulente Strö­ mungszone durchströmenden Volumenstroms erreichen, in welchem dieser erneut Zeit hat, bis zum Abschluß der durch die turbulente Strömungszone zuvor initiierten Ausgasungseffekte zu verweilen.

Durch diese Kombination aus Querschnittserweiterung und turbulenter Strömungszone kann also sowohl das mittransportierte als auch das gelöste Kohlendioxid- Gas aus dem Volumenstrom ausgetrieben werden. Bei ent­ sprechender Ausgestaltung, also einer großen Quer­ schnittserweiterung und einer eine sehr turbulente Strömung erzeugenden turbulenten Strömungszone, kann dies bei sehr kleinem Bauraum der Entgasungseinrich­ tung geschehen.

Wird die Entgasungseinrichtung gemäß der Erfindung in den Anodenkreislauf eingebaut, kann diese durch das in ihr vorhandene Volumen gleichzeitig als Volumen- Ausgleichsbehälter für die Kompensation von Wärmeaus­ dehnungen der Flüssigkeit in dem Anodenkreislauf ge­ nutzt werden.

Weiterhin zeigt das erfindungsgemäße Kreislaufsystem eine Ableitung von gasförmigen Bestandteilen aus dem Bereich der Querschnittserweiterung. Diese Ableitung führt über einen Kühlwärmetauscher zu einer Trennein­ richtung. In diesem Kühlwärmetauscher werden die gas­ förmigen Bestandteile, welche in der Entgasungsvor­ richtung aus dem flüssigen Volumenstrom abgeschieden werden, und welche sich nachdem sie in der turbulenten Strömungszone ausgetrieben wurden im Bereich der Quer­ schnittserweiterung sammeln, abgekühlt. Durch diese Abkühlung kommt es zu einer Kondensation von in den gasförmigen Anteilen enthaltenen Bestandteilen an Kühlmittel und/oder Brennstoff. In der Trenneinrich­ tung werden dann diese flüssigen Bestandteile nach dem Auskondensieren in dem Kühlwärmetauscher aus diesem Teil des Volumenstroms abgetrennt und über Leitungs­ elemente wieder dem Bereich der Austrittsöffnung der Entgasungseinrichtung zugeführt.

Aus dem Bereich der Trenneinrichtung kann dann das gasförmige Kohlendioxid in die Umgebung abgelassen werden. Das Kohlendioxid ist dabei annähernd trocken, so daß keine Bestandteile des in dem Anodenkreislauf befindlichen Brennstoffs in die Umgebung gelangen kön­ nen, was bezüglich der Umwelt außerordentlich kritisch wäre.

Außerdem entsteht hier ein weiterer technischer Vor­ teil, da durch das Ablassen des bereits trockenen Koh­ lendioxids Wasserverluste in dem Anodenkreislauf ver­ mieden werden, welche ansonsten gegebenenfalls durch ein unerwünschtes Nachtanken ausgeglichen werden müß­ ten.

Das erfindungsgemäße Kreislaufsystem kann also das Abscheiden des Kohlendioxids in einem sehr einfachen Aufbau sehr effizient, d. h. mit einem sehr guten Wir­ kungsgrad, erreichen.

Außerdem weist das erfindungsgemäße Kreislaufsystem zusätzlich den Vorteil auf, daß es weitgehend unabhän­ gig von der Temperatur des zu entgasenden Volumen­ stroms betrieben werden kann, so daß hier keinerlei Kühleinrichtungen vorgesehen werden müssen, welche für den Betrieb der Brennstoffzellenanlage nicht ohnehin erforderlich wären und lediglich dem reibungslosen Betrieb der Entgasungseinrichtung dienen sollen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungs­ beispiel.

Die einzige beigefügte Figur zeigt ein erfindungsgemä­ ßes Kreislaufsystem in einem Anodenkreislauf einer Direkt-Methanol-Brennstoffzellenanlage in einer prin­ zipiellen Darstellung.

Darin ist eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle 1 bzw. ein Direkt-Methanol-Brennstoffzellenstack 1 darge­ stellt. Dieser wird, wie im allgemeinen üblich, im nachfolgenden mit der Bezeichnung DMFC 1, welche sich aus dem englichen direct-methanol-fuel cell herleitet, abgekürzt.

Die DMFC 1 weist einen Kathodenraum 2 auf, welcher in nicht dargestellter Weise von einem sauerstoffhaltigen Gas, beispielsweise von Luft durchströmt wird. Über eine protonenleitende Membran 3 ist dieser Kathoden­ raum 2 von einem Anodenraum 4 getrennt. Der Anodenraum 4 ist dabei Bestandteil eines Anodenkreislaufs 5, wel­ cher neben dem Anodenraum 4 eine Pumpe 6 und ein Kreislaufsystem 7 zum Abscheiden von gelöstem und/oder mittranspörtiertem Kohlendioxid aus dem Kühlmit­ tel/Brennstoff-Volumenstrom, hier einem Was­ ser/Methanol-Volumenstrom des Anodenkreislaufs 5 auf­ weist. Außerdem kann der Anodenkreislauf 5 weitere nicht dargestellte Elemente aufweisen, wie beispiels­ weise eine Vorrichtung zum Einbringen des in der DMFC 1 verstromten Methanols, eine Vorrichtung zur Rückfüh­ rung des durch die protonenleitende Membran 3 während des Betriebs der DMFC 1 hindurchtretenden Wassers aus dem Kathodenraum 2 in den Anodenkreislauf 5, eine Kühleinrichtung für den Kühlmittel/Brennstoff- Volumenstrom oder dergleichen.

Das Kreislaufsystem 7 zum Abscheiden von gelöstem und/oder mittransportiertem Kohlendioxid (CO₂) umfaßt dabei zumindest eine Entgasungseinrichtung 8, eine Ableitung 9, welche gasförmige Bestandteile aus der Entgasungseinrichtung 8 zu einer Trenneinrichtung 10 leitet, sowie Leitungselemente 11 zwischen der Trenneinrichtung 10 und dem saugseitigen Bereich der Pumpe 6 des Anodenkreislaufs 5.

Außerdem kann das Kreislaufsystem 7 einen optionalen Entgasungskreislauf 12 mit einer Fördereinrichtung 13, beispielsweise einer Hochdruckpumpe 13, umfassen.

Der in dem Anodenkreislauf 5 in Strömungsrichtung A umgewälzte Wasser/Methanol-Volumenstrom gelangt nach dem Durchströmen des Anodenraums 4 der DMFC 1 in die Entgasungseinrichtung 8 bevor er zur Pumpe 6 fließt. Durch diesen Aufbau kann erreicht werden, daß in der Entgasungseinrichtung 8 mittransportierte und gelöste gasförmige Bestandteile des Wasser/Methanol-Volumen­ stroms bereits aus diesem entfernt wurden, so daß es anschließend in der Pumpe 6 zu keinen Problemen auf­ grund von Kavitation kommen kann.

Bei den gasförmigen Bestandteilen in dem Was­ ser/Methanol-Volumenstrom des Anodenkreislaufs 5 han­ delt es sich wie eingangs erwähnt praktisch aus­ schließlich um im Bereich des Anodenraums 4 entstehen­ des CO₂. Dieses CO₂ ist teilweise in dem flüssigen Vo­ lumenstrom gelöst, teilweise wird es als gasförmiges CO₂ in dem Volumenstrom mitgeführt. Zusätzlich zu dem CO₂ kann der Volumenstrom gasförmige Anteile an Wasser und an Methanol enthalten, da die üblicherweise vor­ liegende Betriebstemperatur der DMFC 1 bei ca. 120°C liegt. Der überwiegend größte Teil des Volumenstroms ist jedoch auch bei diesen Temperaturen flüssig, da der Anodenkreislauf 5 unter einem gegenüber dem Umge­ bungsdruck erhöhten Druck steht.

Die Entgasungseinrichtung 8 ist in einem Behälter 14 angeordnet, welcher wenigstens eine Eintrittsöffnung 15 und wenigstens eine Austrittsöffnung 16 aufweist.

Grundsätzlich weist der Behälter 14 der Entgasungsein­ richtung 8 einen Gasableitungsbereich 17 und einen Ausgasungsbereich 18 auf. Aus dem Bereich der Ein­ trittsöffnung 15 strömt der Volumenstrom dabei über eine Sprühdüse 19 in den Behälter 14. Der Volumenstrom ist zu diesem Zeitpunkt ein Zweiphasenstrom aus Was­ ser/Methanol/Kohlensäure und gasförmigen Kohlendioxid.

In dem Gasableitungsbereich 17 wird nun dieses gasför­ mige Kohlendioxid aus dem Zweiphasenstrom abgeleitet. In dem Ausgasungsbereich 18 wird danach die Ausgasung des gelösten Kohlendioxids, also der Kohlensäure, aus dem flüssigen Volumenstrom ermöglicht.

Da der Eintritt des Gemischs in die Entgasungseinrich­ tung 8 dabei über eine Sprühdüse 19 erfolgt, wird die von der Pumpe 6 aufgebrachte Förderdruckenergie des Volumenstroms gemäß der Bernoulli-Gleichung in Strö­ mungsenergie umgewandelt. Damit wird der Druck in dem Volumenstrom, im Bereich unmittelbar nach der Sprühdü­ se 19 herabgesetzt. Die Löslichkeit von Gasen in Flüs­ sigkeiten hängt stark vom Druck ab, weshalb hier bereits ein Teil des in der Flüssigkeit gelösten Kohlen­ dioxids aus dem Volumenstrom ausgetrieben wird. Da an die Sprühdüse 19 bezüglich ihrer Zerstäubung und der­ gleichen keine allzu hohen Anforderungen zu setzen sind, kann diese insbesondere strömungstechnisch opti­ miert werden, so daß die Sprühdüse 19 nur vergleichs­ weise geringe Druckverluste in dem Anodenkreislauf 5 erzeugt.

In diesem Gasableitungsbereich 17 der Entgasungsein­ richtung 8 wird nun der Volumenstrom geführt. Dabei wird über die Querschnittserweiterung bzw. Strömungs­ querschnittserweiterung, welche im dargestellten Aus­ führungsbeispiel außerdem noch einen Strömungskegel 20 enthält, die Strömungsgeschwindigkeit des Volumen­ stroms herabgesetzt, so daß sich eine ausreichende Verweilzeit des Volumenstroms in dem Gasableitungsbe­ reich 17 ergibt, welche die Effizienz der Gasabschei­ dung/Ausgasung erhöht, ohne dabei, wie dies beispiels­ weise bei Rohrschlangen oder dergleichen der Fall wä­ re, einen sehr großen Bauraum zu benötigen. Durch das Aufprallen der Flüssigkeit auf den Strömungskegel 20 wird der Effekt der Gasableitung weiter verstärkt.

An den Gasableitungsbereich 17 schließt sich der Aus­ gasungsbereich 18 der Entgasungseinrichtung 8 an. Kern dieses Ausgasungsbereichs 18 ist eine turbulente Strö­ mungszone bzw. ein Turbulator 21. Durch diese turbu­ lente Strömungszone wird das Wasser/Methanol-Gemisch, das noch mit Kohlensäure angereichert ist, geleitet, wobei hier eine der zu erzielenden Turbulenz direkt proportionale Ausgasung des Kohlendioxids erreicht wird.

Je turbulenter die Strömung im Bereich dieses Turbula­ tors 21 ausgeführt werden kann, desto kleiner kann also die Verweilzeit in dem Ausgasungsbereich 18 der Entgasungseinrichtung 8 gewählt werden. Damit kann entsprechend auch das Bauvolumen der Entgasungsein­ richtung 8 verkleinert werden.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel schließt sich in dem Ausgasungsbereich 18 in Strömungsrichtung des Volumenstroms nach dem Turbulator 21 eine in ihrem Querschnitt vergrößerte, durch ein Umlenkblech 22 ver­ längerte Strömungsstrecke in dem Behälter 14 der Ent­ gasungseinrichtung 8 an. Diese Strömungsstrecke zwi­ schen dem Turbulator 21 und der Austrittsöffnung 16 des Behälters 14 ist dabei prinzipiell zu ihrem über­ wiegend größten Teil mit flüssigen Bestandteilen des Volumenstroms gefüllt. Da es aufgrund von Wärmeausdeh­ nungseffekten in dem Wasser/Methanol-Gemisch zu ent­ sprechenden Volumenschwankungen kommen kann, kann der Behälter 14 insbesondere mit dem eben beschriebenen Bereich zwischen dem Turbulator 21 und der Austritts­ öffnung 16 gleichzeitig als Ausgleichsbehälter in dem Anodenkreislauf 5 genutzt werden. Damit können also weitere Bauteile eingespart werden, welche in dem ge­ samten Aufbau ansonsten weiteren Bauraum beanspruchen würden und welche außerdem mit ihrer Masse das Gesamt­ system unnötig schwer machen würden.

Der Turbulator 21 kann, wie eingangs bereits erwähnt, aus verschiedenartigen Elementen aufgebaut sein. Seine Aufgabe besteht lediglich darin, eine möglichst turbu­ lente Strömung des Volumenstroms zu erzielen. Hierfür sind beispielsweise Aufbauten aus Drahtgestricken, Spananhäufungen oder auch entsprechende, geeignete Einbauten, wie beispielsweise statische Mischer oder dergleichen, denkbar. Dabei ist es selbstverständlich besonders günstig, wenn die Erhöhung der Turbulenz mit einer nur sehr kleinen Erhöhung der Druckverluste er­ zielt werden kann.

Nach dem Turbulator 21, welcher eine vergleichsweise hohe Strömungsgeschwindigkeit über einen vergleichs­ weise kleinen Strömungsquerschnitt erreicht, kommt es zu der Strömungsquerschnittserhöhung, welche wiederum die Strömungsgeschwindigkeit des Volumenstroms ernied­ rigt, um dem nunmehr herausgelösten CO₂ Gelegenheit zu geben, sich in dem in Richtung der Gravitation oben liegenden Bereich des Ausgasungsbereichs 18 zu sam­ meln.

In diesem Bereich sind, wie auch in dem Bereich des Strömungskegels 20, prinzipmäßig angedeutete Gasablei­ tungsrohre 23 erkennbar, welche das in der Entgasungs­ einrichtung 8 aus dem Volumenstrom herausgelöste Koh­ lendioxid in dem in Richtung der Gravitation oberen Bereich des Gasableitungsbereichs 17 zusammenführen. Dort gelangt das gasförmige CO₂, welches immer noch sehr große Anteile an gasförmigen Wasser und gasförmi­ gen Methanol mit sich führt, über die Ableitung 9 in einen Kühlwärmetauscher bzw. Kühler 24.

In dem Kühler 24 werden die gasförmigen Anteile an Wasser und Methanol auskondensiert und dann zusammen mit dem CO₂-Gas der Trenneinrichtung 10 zugeführt. In dieser Trenneinrichtung 10 erfolgt dann eine Trennung der flüssigen Bestandteile von dem CO₂-Gas.

In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es ich dabei um einen Zyklonabscheider, welcher als Trenneinrichtung 10 genutzt wird. Diese Zyklonabschei­ der haben den Vorteil bei entsprechend kleinem Bauraum einen sehr hohen Abscheidungsgrad zu erzielen. Prinzi­ piell wären hier jedoch auch andere Ausführungen denk­ bar, beispielsweise Tropfenfänger mit entsprechenden Einbauten, wie Drahtgestricke, Gaze oder dergleichen.

Aus dem Zyklonabscheider kann dann das gasförmige trockene Kohlendioxid über eine Druckhalteventil 25 in die Umgebung abgelassen werden. Das Druckhalteventil 25 stellt dabei sicher, daß der in dem Anodenkreislauf 5 vorliegende Systemdruck aufrecht erhalten bleibt. Da das Kohlendioxidgas nach dem durchströmen des Kühlers 24 bzw. der Trenneinrichtung 10 nun ein trockenes Koh­ lendioxidgas ist, also keine für die Umwelt bedenkli­ chen gasförmigen Bestandteile des Methanols aufweist, kann dieses einfach in die Umwelt entlassen werden.

Wenn sich in dem als Trenneinrichtung 10 dienenden Zyklonabscheider ausreichende, Mengen an Flüssigkeit gesammelt haben, so können diese über das Leitungsele­ ment 11, dessen Verbindung mit dem Zyklonabscheider in dem hier dargestellten ausgeführten Ausführungsbei­ spiel durch einen Schwimmerschalter 26 gesteuert wird, in den Bereich des eigentlichen Anodenkreislaufs 5 zurückgeführt werden. Diese Rückführung kann entweder in den Bereich der Austrittsöffnung 16 der Entgasungs­ einrichtung 8 oder direkt in den saugseitigen Bereich der Pumpe 6 erfolgen.

Auch der Bereich der Austrittsöffnung 16 der Entga­ sungseinrichtung, an welchem der hier noch sehr lang­ sam strömende Volumenstrom in der Entgasungseinrichtung ansteht, nachdem dieser den Turbulator 21 und die sich daran anschließende Strömungsstrecke durchströmt hat, ist saugseitig mit der Pumpe 6 verbunden.

Sollte die bis dahin erläuterte, von der Temperatur des Volumenstroms vollkommen unabhängige Entgasungs­ einrichtung 8 mit der Trenneinrichtung 10 nicht aus­ reichend sein, die Gase im gewünschten Maße aus dem Volumenstrom herauszulösen und/oder abzuscheiden, kann zusätzlich der optionale Entgasungskreislauf 12 mit seiner Hochdruckpumpe 13 eingesetzt werden. Dieser Entgasungskreislauf 12 zieht Flüssigkeit aus dem Be­ reich der Austrittsöffnung 16 des Behälters 14 über ein Leitungselement 27 zu der Hockdruckpumpe 13. Von dort aus gelangt der flüssige Volumenstrom über ein weiteres Leitungselement 28 zu einer weiteren Sprühdü­ se 29, mittels welcher er in dem Gasableitungsbereich 17 der Entgasungseinrichtung zerstäubt werden kann.

Da die hier über die Hochdruckpumpe 13 zusätzlich ein­ gebrachte Energie sich nicht direkt auf den Energiebe­ darf und auf den Systemdruck des Anodenkreislaufs 5 auswirkt, kann hier eine gegebenenfalls effektivere Sprühdüse 29 eingesetzt werden, deren Druckverluste leichter in Kauf zu nehmen sind, da diese durch die Hochdruckpumpe 13 ausgeglichen werden und lediglich dann auftreten, wenn entsprechende Betriebsbedingungen in dem Anodenkreislauf 5 den Einsatz des optionalen Entgasungskreislaufs 12 zur weiteren Steigerung der "Entgasungs-Leistung" erforderlich machen.

Claims (13)

1. Kreislaufsystem zum Abscheiden von gelöstem und/oder mittransportiertem Kohlendioxid aus einem Kühlmittel/Brennstoff-Volumenstrom in einem An­ odenkreislauf einer Direkt-Methanol-Brennstoffzel­ lenanlage, wobei der Anodenkreislauf zumindest ei­ nen Anodenraum der Brennstoffzellenanlage und we­ nigstens eine Pumpe umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. 1.1 der Anodenkreislauf (5) eine Entgasungsein­ richtung (8) aufweise, welche zwischen dem Anodenraum (4) und der Pumpe (6), in Strö­ mungsrichtung (A) des Volumenstroms vor der Pumpe (6), angeordnet ist, und wenigstens ei­ ne Eintrittsöffnung (15) und eine Austritts­ öffnung (16) aufweist;
• 2. 1.2 die Entgasungseinrichtung (8) in Strömungs­ richtung (A) des Volumenstroms nach der Ein­ trittsöffnung (15) eine Zerstäubungseinrich­ tung (Sprühdüse 19) und einen Bereich (Gasableitungsbereich 17) mit einer Quer­ schnittserweiterung aufweist;
• 3. 1.3 sich an den Bereich (17) mit der Quer­ schnittserweiterung eine turbulente Strömungszone (21) anschließt, welche in Strö­ mungsrichtung (A) vor der Austrittsöffnung (16) angeordnet ist;
• 4. 1.4 der Bereich (17) der Querschnittserweiterung eine Ableitung (9) für gasförmige Bestandtei­ le des Volumenstroms aufweist;
• 5. 1.5 die Ableitung (9) durch einen Kühl- Wärmetauscher (24) zu einer Trenneinrichtung (10) führt; und
• 6. 1.6 von der Trenneinrichtung (10) ein Leitungse­ lement (11) für flüssige Bestandteile des Vo­ lumenstroms zu dem Bereich der Austrittsöff­ nung (16) führt.

2. Kreislaufsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsquerschnitt im Bereich der turbulen­ ten Strömungszone (21) deutlich kleiner als im Be­ reich (17) der Querschnittserweiterung ist, wobei der Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung (A) nach der turbulenten Strömungszone (21) und vor der Austrittsöffnung (16) größer ist als im Be­ reich der turbulenten Strömungszone (21).

3. Kreislaufsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entgasungseinrichtung (8) einen Entgasungs­ kreislauf (12) aufweist, wobei in dem Entgasungs­ kreislauf (12) flüssige Bestandteile des Volumen­ stroms aus dem Bereich der Austrittsöffnung (16) über eine Fördereinrichtung (13) in den Bereich (17) der Querschnittserweiterung förderbar sind.

4. Kreislaufsystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintritt des Volumenstrom in den Bereich (17) der Querschnittserweiterung aus dem Bereich der Eintrittsöffnung (15) und/oder aus dem Bereich des Entgasungskreislaufs (12) über Sprühdüsen (19, 29) als Einrichtungen erfolgt.

5. Kreislaufsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entgasungseinrichtung (8) als Volumenaus­ gleichsbehälter in dem Anodenkreislauf (5) nutzbar ist.

6. Kreislaufsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenneinrichtung (10) als Zyklonabscheider ausgebildet ist.

7. Kreislaufsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenneinrichtung (10) als Tropfenfänger ausge­ bildet ist und eine Filterschicht aus Gaze oder dergleichen aufweist.

8. Kreislaufsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (17) der Querschnittserweiterung einen in der Entgasungseinrichtung (8) angeordneten Strömungskegel (20) aufweist.

9. Kreislaufsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die turbulente Strömungszone (21) als Turbulator ausgebildet ist.

10. Kreislaufsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbulator (21) ein Drahtgestrick aufweist.

11. Kreislaufsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbulator (21) eine Spananhäufung aufweist.

12. Kreislaufsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbulator (21) wenigstens einen statischen Mischer aufweist.

13. Kreislaufsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzellenanlage (1) für den Betrieb in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist.