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WO2017089466A1 - Dynamische purgekammer - Google Patents

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WO2017089466A1
WO2017089466A1 PCT/EP2016/078687 EP2016078687W WO2017089466A1 WO 2017089466 A1 WO2017089466 A1 WO 2017089466A1 EP 2016078687 W EP2016078687 W EP 2016078687W WO 2017089466 A1 WO2017089466 A1 WO 2017089466A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
flushing
arrangement
storage chamber
fuel cell
mass flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2016/078687
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Hierl
Dirk RADUE
Gunnar SCHNEIDER
Uwe Benz
Kevin SCHRÖDER
Zeyad ABUL-ELLA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HPS Home Power Solutions GmbH
Original Assignee
HPS Home Power Solutions GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by HPS Home Power Solutions GmbH filed Critical HPS Home Power Solutions GmbH
Priority to US15/777,979 priority Critical patent/US10886546B2/en
Priority to CN201680075623.2A priority patent/CN108474126B/zh
Priority to ES16801220T priority patent/ES2897776T3/es
Priority to PL16801220T priority patent/PL3380652T3/pl
Priority to EP16801220.1A priority patent/EP3380652B1/de
Priority to DK16801220.1T priority patent/DK3380652T3/da
Publication of WO2017089466A1 publication Critical patent/WO2017089466A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a purge arrangement for purge of a fuel cell unit on its anode side and / or an electrolysis unit on its cathode side.
  • the present invention also relates to a home power center and a method for operating a home power center.
  • Arrangements for purging a fuel cell unit on its anode side and / or an electrolysis unit on its cathode side are basically known from the prior art. Flushing is required to remove unwanted extraneous gas fractions, as well as liquid water accumulating locally in the cell structures, which can adversely affect the performance and life of the fuel cell and / or the electrolyzer, at regular intervals or depending on the operating conditions.
  • the object is achieved by a flushing arrangement for flushing (purging) a fuel cell unit on its anode side and / or one Electrolysis unit on its cathode side, the flushing arrangement with a flushing channel, which has a first and second flushing channel portion, which are fluidly connected to each other via a purge valve of the flushing arrangement, and with a connected to the flushing passage and the purge valve downstream buffer memory with a memory - Chamber, which is provided for intermediate storage of a pulsed flushing with a flushing mass flow from the fuel cell unit and / or the electrolysis unit fluid mass, so that this fluid mass with a discharge mass flow, which is lower than the flushing mass flow, from one with the second Spülkanalabites fluid-connected outflow can be drained.
  • the discharge mass flow which typically consists largely of H 2
  • the discharge mass flow can be admixed with an air mass flow, so that the resulting gas mixture has an H 2 concentration in all operating states well below the lower ignition limit of H 2 in air. This dilution effect enables safe operation of the system.
  • the outflow element can be designed as a diaphragm, throttle, nozzle, jet pump, Venturi nozzle or recombiner.
  • the buffer memory can branch off from the second flushing channel section.
  • the second flushing channel section can extend at least in sections through the buffer tank.
  • the invention includes the recognition that in a prior art purge that is pulsed with a purge mass flow, relatively high amounts of hydrogen are typically purged from a fuel cell unit and / or electrolysis unit for a fraction of a second. After such a pulse-like purge no hydrogen is released for a long time.
  • relatively high amounts of hydrogen are typically purged from a fuel cell unit and / or electrolysis unit for a fraction of a second.
  • no hydrogen is released for a long time.
  • locally and temporarily critically high hydrogen concentrations in particular also concentrations above the lower ignition limit, can occur during admixture with the exhaust air, which can lead to a dangerous oxyhydrogen reaction. Therefore, at least during the pulse with high purge mass flow, the exhaust air mass flow must be increased in order to ensure a sufficient dilution effect.
  • the purge valve a buffer memory is connected downstream with a storage chamber, the pulse mass with the flushing mass flow discharged fluid mass with a discharge mass flow, which is lower than the flushing mass flow, be discharged.
  • this results in a smoothing of the pulse-like flushing mass flow, which advantageously leads to the avoidance of critical hydrogen concentrations while at the same time having a lower exhaust air mass flow.
  • the storage chamber is expandable. The storage chamber can be expandable by the mass of fluid to be flushed out of the fuel cell unit and / or the electrolysis unit in a pulse-like manner.
  • the storage chamber is designed as a bellows which can accommodate a respective rinsing volume, ie the rinsing mass flow multiplied by a pulse duration of a purge, without or with only a slight build-up of back pressure.
  • a storage chamber formed as a bellows can be designed to be moved back into its unexpanded state by a gravitational force, in particular exclusively by a gravitational force of a preferably freely movable end plate of the bellows.
  • the gravitational force can also be enhanced or partially compensated by an attached spring device.
  • the pressure on the anode side, and thus the admission pressure during the rinsing process, is typically about 300 millibars for a fuel cell unit operating at ambient pressure at ambient pressure.
  • the flushing mass flow and the flushing volume for the fuel cell unit may be adjustable by the flushing arrangement, with usually fixed anode pressure, via the flow resistance of the fuel cell purge valve (for example a solenoid valve) and / or the opening time during the pulse.
  • the flushing mass flow and the flushing volume for the electrolysis unit can be adjustable via the choice of the cathode pressure at which the flushing process begins, the flow resistance of the electrolysis purge valve (for example a solenoid valve) and / or the opening time during the pulse.
  • the ratio of exhaust air mass flow and discharge mass flow and the efficiency of the mixing of both mass flows determine the concentration of combustible gases, in particular H 2 , in the exhaust air.
  • the below-described design data of the bellows and the exhaust element may be applicable to a purge device for a fuel cell unit with a rated power of 1 kW.
  • a flow coefficient of the Ausströmelements is greater than or equal to the Purge valve.
  • the cross-sectional area of the bellows is preferably 100 to 150 cm 2 .
  • the length to diameter ratio of an active volume of the bellows at maximum deflection is 1: 1 to 1: 1.
  • the spring stiffness of the bellows is preferably between 50 and 100 N / m.
  • the material of the elastic part of the bellows may preferably consist of a chemically stable and permanently elastic elastomer or of a non-embrittling in contact with hydrogen metal.
  • the discharge element preferably has a substantially equal flow coefficient as the purge valve. This can be achieved for example via a diaphragm with a free diameter of about 1 mm.
  • the weight of the freely movable end plate is preferably between 0.3 and 0.5 kg.
  • a bellows as a bellows formed storage chamber in the expanded state a volume of less than 3 L, preferably less than 2.6 L on.
  • the bellows is designed such that the overpressure in the bellows relative to the environment during operation corresponds at most to the nominal anode pressure, for example 300 millibar.
  • the bellows is designed such that the overpressure at maximum deflection is less than 100 millibar and / or in nominal operation, i. up to about 50 percent of its maximum deflection is at most 20 millibars.
  • the dead volume of a bellows designed as a storage chamber is preferably made minimal for safety reasons. Particularly preferred is a dead volume of a bellows designed as a storage chamber smaller than 250 ml.
  • the storage chamber can be designed as a bladder accumulator or as a piston accumulator (see FIG.
  • the storage chamber may be formed as a rigid pressure vessel in which the storage chamber is formed such that the fluid mass purged with the flushing mass flow from the fuel cell unit and / or the electrolysis unit leads to an increase in pressure in the storage chamber.
  • the buffer memory has an outlet throttle as a discharge element, which can be designed as a diaphragm.
  • the outlet throttle may be dimensioned such that, for example, a bellows-shaped storage chamber with a volume of 2.6 L in the expanded state is discharged within at least 30 seconds.
  • the outflow element can preferably be a sintered metal cylinder or a sintered ceramic cylinder or a metal fleece, via which the discharge mass flow is evenly distributed in the exhaust air. This improves the mixing of the outflowing hydrogen-containing gas with the exhaust air diluting the hydrogen concentration.
  • the advantageous nominal pressure loss via this device can be dimensioned analogously to the outlet throttle described above.
  • the outflow element may preferably be or have a catalytically active recombinator.
  • an oxidation catalyst preferably noble metal-containing catalysts of the platinum metal group
  • a hydrogen-containing exhaust mass flow is preferably supplied to this in large excess, so that the recombination of the hydrogen with the atmospheric oxygen, at about 0.5% to 8% hydrogen in air, preferably at 1% to 5% hydrogen in air, controlled and flameless to water with the release of heat.
  • the recombiner is associated with a compressor for supplying the recombiner with air, whose activation is coupled in time with a control of the purge valve.
  • the control of the compressor can be coupled to the lead time and / or wake of a ventilation unit of a household energy center.
  • the control of the compressor may be at an outlet temperature of the discharge mass flow and / or an exhaust air flow / exhaust air flow effected by a ventilation device of a domestic energy center.
  • Advantage of the invention is that can be well adjusted by the homogenization of the discharge mass flow through the buffer memory, the concentrations occurring and the recombination is only safely controllable with little regulatory effort.
  • the chemical energy of the hydrogen contained in the discharge mass flow is thermally usable in the process and the exhaust air of the system is not charged with hydrogen from the flushing process.
  • the discharge element to a mass flow of less than 2.5 Nl / min per kW nominal fuel cell power, preferably at most 2.0 Nl / min per kW nominal fuel cell power, each in normal operation (error-free operation the buffer memory) is designed.
  • the flushing arrangement can be designed to reduce a flushing volume flow to a drain volume flow of less than 10%, preferably less than 3%, of the flushing volume flow.
  • a discharge of the discharge volume flow to the environment preferably takes place via an exhaust air flow / exhaust air flow which is at least 50 Nm 3 / h.
  • a nominal operating pressure of the storage chamber is preferably less than 50 millibar, preferably less than 20 millibar, above an operating pressure of the exhaust air flow / continuous flow.
  • liquid water can be carried out as intended.
  • the water is first separated from the gas stream and then advantageously returned to the process of the fuel cell and / or the electrolysis.
  • the water separation can be realized advantageously in the buffer tank be, since there the flow velocities of the carrier gas for a separation of the liquid via gravitational forces are advantageously low.
  • the buffer container has at least one input and / or one output for the purge gas.
  • Liquid which passes together with the hydrogen-containing purge gas via the inlet with high flow rate in the buffer tank, there may preferably gravimetric and / or by flow-leading and / or drop-separating internals and / or with appropriate tangential introduction by centrifugal forces or by other common methods after State of the art are separated from the gas stream.
  • the liquid may preferably be collected at the bottom of the buffer reservoir and drained closed via the liquid outlet and preferably recirculated to the process.
  • the flushing arrangement can be connected to a gas-liquid separator, preferably to an oxygen separator present in the electrolysis unit, or to the water replenishment container and / or a compensation tank likewise present there, and / or have such a tank.
  • the gas-liquid separator and / or the expansion tank can be arranged in a secondary channel branching off from the second flushing section.
  • a surge tank is connected downstream of a gas-liquid separator.
  • the secondary channel is formed siphon-like.
  • a siphon-like secondary channel can serve as overpressure protection for the buffer storage, whose water column can press at too high overpressure of the hydrogen into the gas-liquid separator. The then flowing off via the secondary channel hydrogen leads to a pressure relief of the buffer memory.
  • a gas-liquid separation can also be integrated in the siphon-like secondary channel.
  • the flushing arrangement can have a fill level sensor, in particular a fill level sensor assigned to the buffer store.
  • the level sensor for detecting an expansion state of the storage chamber may be formed and arranged.
  • the filling level sensor may preferably be designed as an optical sensor or magnetic sensor or as an ultrasonic sensor and is preferably permissible for operation in a potentially hydrogen-containing environment.
  • the level sensor is arranged and adjusted so that this at an expansion state of preferably not more than 80% of the maximum volume, which may occur in a faulty no longer closing solenoid valve, triggers a safety chain and prevents further outflow of hydrogen.
  • the filling level sensor can also be used to monitor the quality of the rinsing process and / or to transfer the rinsing process from a controlled process via the detection of the actually rinsed volume into a regulated process.
  • a further or further buffer memory each with an expandable storage chamber of the flushing arrangement may be included. At least two of the storage chambers may be fluidly connected with respect to a flow through the purge mass flow in such a way that a parallel or serial flow through the storage chambers is realized.
  • the advantage of this arrangement is that different parameters can be set by the design, which eg allow: a two-stage, improved water separation, which can be realized in particular with the serial fluid connection and / or a redundancy or reserve and / or a detection of a fault, for example by Monitoring the response of the other (redundant) buffer memory.
  • the buffer memories can be switched on and off individually by means of a magnetic valve, or the buffer tanks can only respond at different pressures due to a different design.
  • the object is achieved by a domestic energy center with at least one fuel cell unit and / or electrolysis unit, the domestic energy center having a prescribed flushing arrangement, which is connected for flushing the fuel cell unit on its anode side and / or the electrolysis unit on its cathode side.
  • this has a lounge ventilation system.
  • the lounge ventilation system may have a supply air duct through which supply air into the lounge ventilation system can be guided.
  • the lounge ventilation system may include a room air duct through which air from the lounge ventilation system to a lounge, such as a living room, is routable.
  • the lounge ventilation system may have an exhaust duct through which exhaust air from the lounge ventilation system to the environment is feasible.
  • the outflow element of the flushing arrangement is arranged such that the fluid mass emerging from the outflow element can be discharged to the environment via the exhaust air duct.
  • the escaping fluid mass can also be mixed into the cathode air of the fuel cell unit via the outflow element.
  • the hydrogen content is then catalytically reacted when flowing through the cathode at the catalyst there located for the most part with oxygen. This creates water vapor and heat, which increases the air temperature and is thus available for heating the room air.
  • the domestic energy center is preferably designed and / or operable such that a nominal operating pressure of the storage chamber is less than 50 millibar, preferably less than 20 millibar, more preferably less than 10 millibar, above an operating pressure of the exhaust air flow routed via the exhaust air duct.
  • the anode side of the fuel cell unit is preferably designed for an operating pressure of at most 300 millibar.
  • the domestic energy center with the flushing arrangement can be configured further according to the above-described flushing arrangement.
  • the object is achieved by a method comprising the step of discharging the fluid mass via the exhaust air duct to the environment together with an exhaust air.
  • the method according to the invention is carried out with a prescribed domestic energy center.
  • the purge assembly is sized and configured to be commonly usable for the fuel cell unit and the electrolysis unit if both components are present in the system simultaneously.
  • the fuel cell unit and the electrolysis unit are typically not operated at the same time, the requirements which the two components place on the flushing device are generally different but can be met in a targeted manner by setting the parameters described here.
  • the process may provide for purge at intervals, wherein preferably per purge a maximum of 0.8 Nl per kW nominal fuel cell output as fluid mass from a fuel cell unit and / or an electrolysis unit with a purge mass flow exit.
  • the method provides that per purge a maximum of 0.8 Nl per kW nominal fuel cell power absorbed in the buffer memory and discharged via the discharge element with a mass flow of about 2 Nl / min per kW nominal fuel cell capacity.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first embodiment of a domestic energy center with a flushing arrangement
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a second embodiment of a domestic energy center with a flushing arrangement
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the third exemplary embodiment of a domestic energy center with recombiner as outflow element
  • Fig. 5 is a schematic representation of various states of a buffer memory
  • Fig. 6 is a schematic representation of a buffer memory with expandable storage chamber.
  • a domestic energy center 500 according to the invention in FIG. 1 has a fuel cell unit 200.
  • the domestic power center 500 may include a lounge ventilation system, of which in the present case only one supply air duct 551 and one exhaust air duct 555 are shown. Furthermore, the domestic energy center 500 has a flushing arrangement 100 for flushing the fuel cell unit 200 on its anode side 200A.
  • the flushing arrangement 100 has a flushing channel, which in the present case is formed by a first flushing channel section 20 and a second flushing channel section 21.
  • the first 20 and second 21 Spülkanalabites are fluidly connected to each other via a purge valve 10 of the purge assembly 100.
  • the first purge passage section 20 is fluidly connected on one side to the anode side 200A of the fuel cell unit 200, in this example with a nominal fuel cell power of 1 kW, and on the other side to the purge valve 10.
  • the Purge valve 10 downstream and fluidly connected via the second Spülkanalabites 21 with the Purge valve 10 is a buffer memory 30 with a storage chamber 31.
  • the buffer memory 30 branches off from the second Spülkanalabites 21.
  • the storage chamber 31 is designed as a bellows.
  • the bellows designed as a storage chamber 31 is used for intermediate storage of a pulse-like manner with a purge mass flow M1 from the fuel cell unit 200 für Motherenden fluid mass.
  • This pulse-like flushed with the purge mass flow M1 of, for example, 100 Nl / min over a period of about 500 milliseconds fluid mass can occur with open purge valve 10 in the trained as bellows storage chamber 31, wherein this expands.
  • the bellows designed as a storage chamber 31 has a volume of 2.6 L in the expanded state E1.
  • the purge assembly 100 further includes an exhaust element 40 fluidly connected to the second purge passage section 21.
  • the discharge element 40 is designed for a discharge mass flow M2 of at most 2.5 Nl / min in normal operation and serves for the outlet of the fluid mass with a discharge mass flow M2, which is significantly lower in magnitude than the purge mass flow M1.
  • a secondary channel 45 branches off, which in the present case is designed in the shape of a siphon.
  • a gas-liquid separator 50 Arranged in the side channel 45 are a gas-liquid separator 50 and a compensation tank 60.
  • a fill level sensor 35 Associated with the buffer tank 30 is a fill level sensor 35, which is designed and arranged here for detecting an expansion state of the storage chamber 31.
  • the storage chamber 31 is shown expanded by less than 50%, so that the level sensor 35, which is in the present case designed as an optical light barrier, does not trigger.
  • Supply air ZL can enter into a housing section 510 of the domestic energy system 500 via the supply air duct 551, wherein in the present case rinsing arrangement 100 and fuel cell unit 200 are arranged within the housing section 510 of the domestic energy system 500.
  • Exhaust air AL from the day room ventilation system can be conveyed to the environment via the exhaust air duct 555.
  • the outflow element 40 of the flushing arrangement 100 is arranged such that the fluid mass emerging from the outflow element 40 can be discharged via the exhaust air duct 555 to the surroundings.
  • a domestic energy center 500 in FIG. 2 has an electrolysis unit 300 with a connected flushing arrangement 100.
  • shown in FIG. 2 is a supply air duct 551 of a lounge ventilation system, not shown, which enters the housing section 510 of the domestic energy system 500.
  • the exhaust air duct 555 of a lounge ventilation system not shown, from which exhaust air AL from the housing section 510, which is assigned to the electrolysis unit 300, can emerge from the domestic energy center 500.
  • the domestic energy center 500 in FIG. 2 has a flushing arrangement 100 for flushing the electrolysis unit 300 on its cathode side 300K.
  • the flushing arrangement 100 has a first 20 and second 21 flushing duct section which can be fluidly connected to one another via a purge valve 10 of the flushing arrangement 100.
  • the flushing arrangement 100 likewise has a buffer store 30 connected downstream of the purge valve 10 with a storage chamber 31, which in the present case is designed as a bellows and is provided with an intermediate storage of a mass of fluid to be flushed out with a flushing mass flow M1 from the electrolysis unit 300.
  • the second flushing channel section 21 extends at least in sections through the buffer memory 30.
  • This fluid mass can be discharged via a discharge element 40 fluid-connected to the second purge passage section 21 with a discharge mass flow M2 which is lower than the purge mass flow M1.
  • the outflow element 40 of the flushing arrangement 100 is arranged such that the fluid mass emerging from the outflow element 40 can be discharged via the exhaust air duct 555 to the surroundings.
  • the storage chamber 31 has an internal water separator 32, so that separated water from a household energy center can be recycled for further use. In the present case, this takes place via the secondary channel 45.
  • FIG. 3 shows the arrangement of Fig. 1, in which the discharge element 40 is provided as a recombiner.
  • the discharge mass flow M2 flows into the outflow element 40 provided as a recombiner and an airflow M3 via a separate fan 41.
  • the two streams are mixed and the hydrogen contained in the discharge mass flow with oxygen from the air stream M3 catalytically converted to water and heat.
  • the now hydrogen-free, heated product gas is added to the exhaust air AL.
  • FIG. 4 serves to explain the function of the flushing arrangement according to the invention on the basis of a time-related mass flow profile diagram.
  • a fuel cell unit (not shown) is in each case flushed with a pulse-like flushing mass flow M1, ⁇ 1 ', M1 "at the times T1, T2 and T3. Between the individual purges there is a break of 24 seconds each.
  • a respective discharge mass flow M2, M2 'and M3 is shown in the lower part of the Fig.
  • FIG. 5 shows three expansion states E1, E2, E3 of a bellows-shaped storage chamber 31 of a buffer store 30 of a flushing arrangement 100 according to the invention. Shown is likewise a fill level sensor 35 assigned to the buffer store 30, in the form of a light barrier, for detecting a respective expansion state of the storage chamber 31 , in this case in particular the fault detection of the bellows designed as a storage chamber 31st
  • FIG. 5 a shows an expansion state E 1 which, in fault-free normal operation, immediately after receiving a pulse of 0.8 Nl emitted pulse-like with a flushing mass flow, that is to say in a state which is shown at time T 1, T 2 and T 3 in FIG. 3 is.
  • the non-expanded state E0 is indicated in Fig. 5a) by the correspondingly designated axis and is occupied at a fluid mass of 0 to 0.25 Nl (dead volume) in the bellows designed as a storage chamber 31st
  • the bellows formed as a storage chamber 31 is expanded to half of its maximum expansion state. This may be the case, for example, in the case of a software error that can affect the purgerates.
  • the level sensor 35 detects the expansion state E2 of the bellows-shaped storage chamber 31 shown in FIG. 5B, thereby causing no further purges to be triggered.
  • 5c) shows the fault state of a bellows-shaped storage chamber 31 "suspended" in its maximally expanded expansion state E3. This expansion state E3 is also detected by the fill level sensor 35.
  • a secondary channel 45 branches off the second purge passage section 21 and has a gas-liquid separator 50. Since the auxiliary channel 45 is designed in the manner of a siphon here, it serves as overpressure protection for the storage chamber 31 designed as a bellows.
  • Fig. 6 is a buffer memory 30 with expandable designed as a piston accumulator storage chamber 31.
  • the purge mass flow M1 is passed into the liquid-filled storage chamber 31, which is limited in the embodiment shown by concentrically arranged and mutually axially movable cylinder elements 31 ', 31 "and displaced In this case, the liquid FL is similar to a piston, the inner cylinder member 31 'moves upward and thereby realized an expansion of the storage chamber 31.
  • a bellows see Fig.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spülanordnung (100) zum Spülen (Purgen) einer Brennstoffzelleneinheit (200) auf deren Anodenseite (200A) und/oder einer Elektrolyseeinheit (300) auf deren Kathodenseite (300K). Die Spülanordnung (100) weist einen Spülkanal (20, 21), mit einem ersten (20) und einem zweiten (21) Spülkanalabschnitt auf, die über ein Purge-Ventil (10) der Spülanordnung (100) miteinander fluidverbindbar sind, und mit einem mit dem Spülkanal (20, 21) fluidverbundenen und dem Purge-Ventil (10) nachgeschalteten Pufferspeicher (30) mit einer Speicherkammer (31), die zur Zwischenspeicherung einer pulsartig mit einem Spül-Massenstrom (M1) aus der Brennstoffzelleneinheit (200) und/oder der Elektrolyseeinheit (300) auszuspülenden Fluidmasse vorgesehen ist, sodass diese Fluidmasse mit einem Ablass-Massenstrom (M2), der geringer als der Spül-Massenstrom (M1) ist, aus einem mit dem zweiten Spülkanalabschnitt (21) fluidverbundenen Ausströmelement (40) ablassbar ist.

Description

Dynamische Purgekammer
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spülanordnung zum Spülen (Purgen) einer Brennstoffzelleneinheit auf ihrer Anodenseite und/oder einer Elektrolyseeinheit auf ihrer Kathodenseite. Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls eine Hausenergiezentrale sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Hausenergiezentrale.
Anordnungen zum Spülen einer Brennstoffzelleneinheit auf ihrer Anodenseite und/oder einer Elektrolyseeinheit auf ihrer Kathodenseite sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Ein Spülen ist erforderlich, um unerwünschte Fremdgasanteile, sowie sich lokal in den Zellstrukturen ansammelndes flüssiges Wasser die die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer der Brennstoffzelle und/oder des Elektrolyseurs negativ beeinflussen können, in regelmäßigen Abständen oder abhängig von den Betriebszuständen abzuführen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hinsichtlich H2-Sicherheit, Betriebsverhalten und Auslegung der relevanten Stoffströme verbesserte Spülanordnung, eine Hausenergiezentrale mit einer Spülanordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Hausenergiezentrale anzugeben.
Bezüglich der Spülanordnung wird die Aufgabe gelöst durch eine Spülanordnung zum Spülen (Purgen) einer Brennstoffzelleneinheit auf ihrer Anodenseite und/oder einer Elektrolyseeinheit auf ihrer Kathodenseite, die Spülanordnung mit einem Spülkanal, der einen ersten und zweiten Spülkanalabschnitt aufweist, die über ein Purge-Ventil der Spülanordnung miteinander fluidverbindbar sind, und mit einem mit dem Spülkanal fluid- verbundenen und dem Purge-Ventil nachgeschalteten Pufferspeicher mit einer Speicher- kammer, die zur Zwischenspeicherung einer pulsartig mit einem Spül-Massenstrom aus der Brennstoffzelleneinheit und/oder der Elektrolyseeinheit auszuspülende Fluidmasse vorgesehen ist, sodass diese Fluidmasse mit einem Ablass-Massenstrom, der geringer als der Spül-Massenstrom ist, aus einer mit dem zweiten Spülkanalabschnitt fluidverbun- denen Ausströmelement abgelassen werden kann. Der Ablass-Massenstrom, welcher typischerweise großteils aus H2 besteht, kann einem Luftmassenstrom zugemischt werden, so dass das entstehende Gasgemisch eine H2-Konzentration in allen Betriebszu- ständen deutlich unterhalb der unteren Zündgrenze von H2 in Luft aufweist. Durch diesen Verdünnungseffekt ist ein sicherer Betrieb der Anlage möglich.
Das Ausströmelement kann als Blende, Drossel, Düse, Strahlpumpe, Venturidüse oder Rekombinator ausgebildet sein. Der Pufferspeicher kann vom zweiten Spülkanalabschnitt abzweigen. Der zweite Spülkanalabschnitt kann zumindest abschnittweise durch den Pufferspeicher verlaufen.
Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, dass bei einem Purgen gemäß des Standes der Technik, das pulsartig mit einem Spül-Massenstrom erfolgt, typischerweise über Bruchteile einer Sekunde relativ hohe Mengen von Wasserstoff aus einer Brennstoffzelleneinheit und/oder einer Elektrolyseeinheit ausgespült werden. Im Anschluss an einen derartigen pulsartigen Purge wird längere Zeit kein Wasserstoff mehr freigesetzt. Dadurch können bei der Zumischung zur Abluft lokal und temporär kritisch hohe Wasserstoffkonzentrationen, insbesondere auch Konzentrationen über der unteren Zündgrenze, auftreten, die zu einer gefährlichen Knallgasreaktion führen können. Zumindest während des Pulses mit hohem Spül-Massenstrom ist daher der Abluft-Massenstrom zu erhöhen, um einen hinreichenden Verdünnungseffekt zu gewährleisten.
Dadurch, dass erfindungsgemäß dem Purge-Ventil ein Pufferspeicher mit einer Speicherkammer nachgeschaltet ist, kann die pulsartig mit dem Spül-Massenstrom ausgetragene Fluidmasse mit einem Ablass-Massenstrom, der geringer als der Spül-Massenstrom ist, ausgetragen werden. Vorteilhafterweise ergibt sich dadurch eine Glättung des pulsartigen Spül-Massenstroms, was vorteilhaft zur Vermeidung von kritischen Wasserstoffkonzentrationen bei gleichzeitig niedrigerem Abluft-Massenstrom führt. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Speicherkammer expandierbar. Die Speicher- kammer kann durch die pulsartig mit dem Spül-Massenstrom aus der Brennstoffzelleneinheit und/oder der Elektrolyseeinheit auszuspülenden Fluidmasse expandierbar sein. Besonders bevorzugt ist die Speicherkammer als Faltenbalg ausgebildet, der ein jeweili- ges Spül-Volumen, d.h. den Spül-Massenstrom multipliziert mit einer Pulsdauer eines Purges, ohne oder mit nur geringfügigem Aufbau von Gegendruck aufnehmen kann. Eine als Faltenbalg ausgebildete Speicherkammer kann ausgebildet sein, durch eine Gravitationskraft, insbesondere ausschließlich durch eine Gravitationskraft einer bevorzugt frei beweglichen Endplatte des Faltenbalgs, in ihren nicht expandierten Zustand zurückbe- wegt zu werden. Zur gezielten Anpassung der Kraft, die den Faltenbalg in seinen nicht expandierten Zustand zurückbewegt, und damit der Entladezeit und des Druckverlaufes des Falten balg puffers über der Zeit, kann die Gravitationskraft auch durch eine angebrachte Federvorrichtung verstärkt oder teilweise kompensiert sein.
Um erhöhte Leistungsverluste und Alterungseffekte auszuschließen, ist es vorteilhaft, pro Spülvorgang jeweils ca. 0,75 Nl (Normliter) H2-reiches Gas pro kW Nennleistung der Brennstoffzelleneinheit anodenseitig auszuspülen. Bevorzugt dauert ein pulsartiger Spülvorgang weniger als 0,5 s, vorzugsweise maximal 0,2 s. Es ist ebenfalls vorteilhaft, pro Spülvorgang jeweils ca. 0,75 Nl (Normliter) H2-reiches Gas pro kW Nennleistung der Elektrolyseeinheit auszuspülen. Im Folgenden, wenn nicht anders erwähnt, wird soll davon ausgegangen werden, dass eine Auslegung der Spülstrecke hinsichtlich der Brennstoffzelleneinheit-Anforderungen auch für die Elektrolyseeinheit ausreichend ist. Bei deutlich geänderten Leistungsgrößen und Betriebsbedingungen im Gesamtsystem sind die Auslegungen jedoch auch analog über spezielle Elektrolyseeinheit -Spülanforderungen durchführbar. Der Druck auf der Anodenseite und damit der Vordruck beim Spül-Prozess ist bei einer Brennstoffzelleneinheit, die luftseitig bei Umgebungsdruck arbeitet, typischerweise bei etwa 300 Millibar.
Der Spül-Massenstrom und das Spülvolumen für die Brennstoffzelleneinheit kann seitens der Spülanordnung, bei üblicherweise fest eingestelltem Anodendruck, über den Strö- mungswiderstand des Brennstoffzellen-Purge-Ventils (beispielsweise ein Elektromagnetventil) und/oder die Öffnungszeit während des Pulses einstellbar sein. Der Spül-Massenstrom und das Spülvolumen für die Elektrolyseeinheit kann über die Wahl des Kathodendruckes, bei welchem der Spülvorgang beginnt, den Strömungswiderstand des Elektrolyse-Purge-Ventils (beispielsweise ein Elektromagnetventil) und/oder die Öffnungszeit während des Pulses einstellbar sein. Das Verhältnis von Abluft-Massenstrom und Ablass-Massenstrom sowie die Effizienz der Vermischung beider Massenströme bestimmen die Konzentration von brennbaren Gasen, insbesondere H2, in der Fortluft. Diese soll aus Sicherheitsgründen deutlich unterhalb der Unteren Zündgrenze von H2 in Luft sein (die UZG von H2 in Luft liegt bei 4%), vorzugsweise unterhalb von ca. 2 %. Bei gegebenem Abluft-Massenstrom kann dies zur limitierenden Größe für den noch erlaubten maximalen Ablass-Massenstrom werden und die gesamte Spülanordnung ist daraufhin zu dimensionieren.
Über die Parameter Querschnittsfläche des Faltenbalgs, Längen- zu Durchmesser- Verhältnisses des Faltenbalgs, Federsteifigkeit des Balgmaterials, Gewicht der frei beweglichen Endplatte, und insbesondere über die Auslegung des Strömungswiderstands des Ausströmelements kann das Lade-/Entladeverhalten, insbesondere der Verlauf des Ablass-Massenstroms über der Zeit ausgelegt sein. Nachfolgend beschriebene Auslegungsdaten des Faltenbalgs und des Ausströmelements können für eine Spülvorrichtung für ein Brennstoffzelleneinheit mit einer Nennleistung von 1 kW gelten.
Besonders bevorzugt ist ein Durchflusskoeffizient des Ausströmelements größer oder gleich dem des Purge-Ventils.
Bevorzugt beträgt die Querschnittsfläche des Faltenbalgs 100 bis 150 cm2. Besonders bevorzugt beträgt das Längen- zu Durchmesser-Verhältnis eines aktiven Volumens des Faltenbalgs bei maximaler Auslenkung 1 ,5 : 1 bis 1 : 1. Die Federsteifigkeit des Balges liegt bevorzugt zwischen 50 und 100 N/m. Das Material des elastischen Teils des Falten- balges kann vorzugsweise aus einem chemisch stabilen und dauerhaft elastischen Elastomer oder aus einem im Kontakt mit Wasserstoff nicht versprödenden Metall bestehen.
Das Ausströmelement hat bevorzugt einen im Wesentlichen gleich großen Durchflusskoeffizienten wie das Purge-Ventil. Dies kann beispielsweise über eine Blende mit einem freien Durchmesser von ca. 1 mm erreicht werden. Das Gewicht der frei beweglichen Endplatte beträgt bevorzugt zwischen 0,3 und 0,5 kg. Bevorzugt weist eine als Faltenbalg ausgebildete Speicherkammer in expandiertem Zustand ein Volumen von weniger als 3 L, bevorzugt weniger als 2,6 L auf.
Bevorzugt ist der Faltenbalg ausgelegt, dass der Überdruck im Faltenbalg gegenüber der Umgebung im Betrieb maximal dem Anoden-Nenndruck entspricht, beispielsweise 300 Millibar beträgt. Besonders bevorzugt ist der Faltenbalg ausgelegt, dass der Überdruck bei Maximalauslenkung kleiner als 100 Millibar beträgt und/oder beim nominalen Betrieb, d.h. bis zu ca. 50 Prozent seiner Maximalauslenkung höchstens 20 Millibar beträgt.
Das Totvolumen einer als Faltenbalg ausgebildeten Speicherkammer ist bevorzugt aus Sicherheitsgründen minimal ausgeführt. Besonders bevorzugt ist ein Totvolumen einer als Faltenbalg ausgebildeten Speicherkammer kleiner als 250 ml.
Die Speicherkammer kann als Blasenspeicher oder als Kolbenspeicher (vgl. Fig. 5) ausgebildet sein. Alternativ zu einer expandierbaren Ausbildung der Speicherkammer kann die Speicherkammer als starrer Druckbehälter ausgebildet sein, bei welchem die Speicherkammer derart ausgebildet ist, dass die pulsartig mit dem Spül-Massenstrom aus der Brennstoffzelleneinheit und/oder der Elektrolyseeinheit ausgespülte Fluidmasse zu einem Druckanstieg in der Speicherkammer führt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Pufferspeicher eine Auslassdrossel als Ausströmelement auf, die als Blende ausgebildet sein kann. Die Auslassdrossel kann derart dimensioniert sein, dass beispielsweise eine als Faltenbalg ausgebildete Speicher- kammer mit einem Volumen von 2,6 L in expandiertem Zustand innerhalb von wenigstens 30 Sekunden entladen wird.
Das Ausströmelement kann bevorzugt ein Sintermetallzylinder oder ein Sinterkeramikzylinder oder ein Metallvlies sein, über welches der Ablass-Massenstrom gleichmäßig in die Abluft verteilt wird. Damit wird die Vermischung des ausströmenden wasserstoffhaltigen Gases mit der die Wasserstoff-Konzentration verdünnenden Abluft verbessert. Der vorteilhafte Nenndruckverlust über diese Vorrichtung kann analog zur oben beschriebenen Auslassdrossel dimensioniert sein.
Das Ausströmelement kann bevorzugt ein katalytisch aktiver Rekombinator sein oder einen solchen aufweisen. Bevorzugt wird diesem ein wasserstoffhaltiger Ablassmassen- ström bei Anwesenheit eines Oxidationskatalysators, vorzugsweise edelmethallhaltige Katalysatoren aus der Platinmetallgruppe, Luft in hohem Überschuss zugeführt, so dass die Rekombination des Wasserstoffs mit dem Luftsauerstoff, bei ca. 0,5% bis 8 % Wasserstoff in Luft, vorzugsweise bei 1 % bis 5% Wasserstoff in Luft, kontrolliert und flammenlos zu Wasser unter Freisetzung von Wärme erfolgt.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn dem Rekombinator ein Kompressor zur Versorgung des Rekombinators mit Luft zugeordnet ist, dessen Ansteuerung mit einer Ansteuerung des Purge-Ventils zeitlich gekoppelt ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Ansteuerung des Kompressors an den zeitlichen Vorlauf und/oder Nachlauf eines Lüftungsgerät einer Hausenergiezentrale gekoppelt sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Ansteuerung des Kompressors an eine Auslass-Temperatur des Ablass-Massenstroms und/oder eines durch ein Lüftungsgerät einer Hausenergiezentrale bewirkten Abluftstroms/Fortluftstroms sein.
Vorteil der Erfindung ist, dass sich durch die Vergleichmäßigung des Ablass- Massenstromes durch den Pufferspeicher die auftretenden Konzentrationen gut einstellen lassen und die Rekombination erst dadurch mit geringem Regelungsaufwand sicher beherrschbar ist. Damit ist die im Ablass-Massenstrom enthaltenen chemische Energie des Wasserstoffs thermisch im Prozess nutzbar und die Abluft des Systems wird nicht mit Wasserstoff aus dem Spülvorgang belastet.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Ausströmelement auf einen Massenstrom von kleiner als 2,5 Nl/min pro kW Brennstoffzellen-Nennleistung, bevorzugt höchs- tens 2,0 Nl/min pro kW Brennstoffzellen-Nennleistung, jeweils im Normbetrieb (fehlerfreier Betrieb des Pufferspeichers) ausgelegt ist.
Die Spülanordnung kann ausgebildet sein, einen Spül-Volumenstrom auf einen Ablass- Volumenstrom von weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 3 % des Spül- Volumenstroms zu reduzieren. Bevorzugt erfolgt ein Austragen des Ablass- Volumenstrom zur Umgebung über einen mindestens 50 Nm3/h großen Abluftstrom/Fortluftstrom. Bevorzugt liegt ein Nenn-Betriebsdruck der Speicherkammer weniger als 50 Millibar, bevorzugt weniger als 20 Millibar über einem Betriebsdruck des Abluftstroms/Fortl uftstroms .
Beim Spülvorgang kann bestimmungsgemäß flüssiges Wasser mit ausgetragen werden. In einer bevorzugten Variante wird das Wasser zunächst vom Gasstrom abgeschieden und danach vorteilhafterweise in den Prozess der Brennstoffzelle und/oder der Elektrolyse zurückgeführt. Die Wasser-Abscheidung kann vorteilhaft im Pufferbehälter realisiert sein, da dort die Strömungsgeschwindigkeiten des Trägergases für eine Abscheidung der Flüssigkeit über Gravitationskräfte vorteilhaft gering sind.
Vorzugsweise hat der Pufferbehälter mindestens je einen Eingang und/oder einen Ausgang für das Spülgas. Flüssigkeit, die zusammen mit dem Wasserstoff haltigen Spülgas über den Einlass mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in den Pufferbehälter gelangt, kann dort vorzugsweise gravimetrisch oder/und durch strömungsführende und/oder tropfenabscheidende Einbauten und/oder bei entsprechender tangentialer Einleitung durch Zentrifugalkräfte oder durch andere gängige Verfahren nach dem Stand der Technik vom Gasstrom abgeschieden werden. Die Flüssigkeit kann vorzugsweise am Boden des Pufferspeichers gesammelt und geschlossen über den Flüssigkeitsauslass abgeleitet und vorzugsweise dem Prozess wieder zugeführt werden.
Die Spülanordnung kann an einen Gas-Flüssig-Abscheider, vorzugsweise an einen in der Elektrolyseeinheit vorhandenen Sauerstoffabscheider oder an den ebenfalls dort vorhandenen Wassernachfüllbehälter und/oder einen Ausgleichsbehälter angeschlossen sein und/oder einen solchen aufweisen.
Der Gas-Flüssig-Abscheider und/oder der Ausgleichsbehälter kann in einem von dem zweiten Spülabschnitt abzweigenden Nebenkanal angeordnet sein. Bevorzugt ist ein Ausgleichsbehälter einem Gas-Flüssig-Abscheider nachgeschaltet. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Nebenkanal siphonartig ausgebildet ist. Ein siphonartig ausgebildeter Nebenkanal kann als Überdruckschutz für den Pufferspeicher dienen, dessen Wassersäule bei zu hohem Überdruck des Wasserstoffs in den Gas-Flüssig- Abscheider drücken kann. Der dann über Nebenkanal abfließende Wasserstoff führt zu einer Druckentlastung des Pufferspeichers. In einer bevorzugten Variante kann in den siphonartig ausgebildeten Nebenkanal auch eine Gas-Flüssig-Abscheidung integriert sein. Durch eine derartige Ausgestaltung der Spülanordnung kann auch das Wasser aus dem Spülvorgang wieder zur Nutzung in das Elektrolysemodul zurückgeführt werden.
Die Spülanordnung kann einen Füllstandssensor aufweisen, insbesondere einen dem Pufferspeicher zugeordneten Füllstandssensor. Bevorzugt kann der Füllstandssensor zum Detektieren eines Expansionszustands der Speicherkammer ausgebildet und ange- ordnet sein. Der Füllstandssensor kann vorzugsweise als optischer Sensor oder magnetischer Sensor oder als Ultraschallsensor ausgebildet sein und ist vorzugsweise für den Betrieb in einer potentiell wasserstoffhaltigen Umgebung zulässig. Bevorzugt ist der Füllstandssensor derart angeordnet und eingestellt, dass dieser bei einem Expansions- zustand von bevorzugt maximal 80 % des Maximalvolumens, welcher bei einem fehlerhaft nicht mehr schließenden Magnetventil auftreten kann, eine Sicherheitskette auslöst und weiteres Ausströmen von Wasserstoff verhindert. Über den Füllstandssensor kann in einem bevorzugten Verfahren auch die Qualität des Spülvorgangs überwacht und/oder der Spülvorgang von einem gesteuerten Prozess über die Erfassung des tatsächlich gespülten Volumens in einen geregelt Prozess überführt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung kann ein weiterer oder weitere Pufferspeicher mit jeweils einer expandierbaren Speicherkammer von der Spülanordnung umfasst sein. Wenigstens zwei der Speicherkammern können, bezüglich eines Durchströmens durch den Spül-Massenstrom, derart fluidverbunden sein, dass ein paralleles oder serielles Durchströmen der Speicherkammern realisiert wird. Vorteil dieser Anordnung ist, dass unterschiedliche Parameter durch die Auslegung eingestellt werden können, welche z.B. ermöglichen: eine zweistufige, verbesserte Wasserabscheidung, welche insbesondere bei der seriellen Fluidverbindung realisierbar ist und/oder eine Redundanz oder Reserve und/oder eine Detektion eines Fehlerfalls, beispielsweise durch Überwachung des Ansprechens des weiteren (redundanten) Pufferspeicher. Bei zwei- oder mehrstufiger Pufferung können beispielsweise die Pufferspeicher per Magnetventil individuell zu- und weggeschaltet werden oder die Pufferspeicher können durch eine unterschiedliche Auslegung erst bei unterschiedlichen Drücken ansprechen. Bezüglich der Hausenergiezentrale wird die Aufgabe gelöst durch eine Hausenergiezentrale mit wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit und/oder Elektrolyseeinheit, wobei die Hausenergiezentrale eine vorbeschriebene Spülanordnung aufweist, die zum Spülen der Brennstoffzelleneinheit auf ihrer Anodenseite und/oder der Elektrolyseeinheit auf ihrer Kathodenseite angeschlossen ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Hausenergiezentrale weist diese ein Aufenthaltsraum-Lüftungssystem auf. Das Aufenthaltsraum-Lüftungssystem kann einen Zuluftkanal aufweisen, über den Zuluft in das Aufenthaltsraum-Lüftungssystem führbar ist. Das Aufenthaltsraum-Lüftungssystem kann einen Raumzuluftkanal aufweisen, über den Luft vom Aufenthaltsraum-Lüftungssystem in einen Aufenthaltsraum, beispielsweise ein Wohnzimmer, führbar ist. Das Aufenthaltsraum-Lüftungssystem kann einen Abluftkanal aufweisen, über den Abluft aus dem Aufenthaltsraum-Lüftungssystem zur Umgebung führbar ist. Bevorzugt ist das Ausströmelement der Spülanordnung derart angeordnet, dass die aus dem Ausströmelement austretende Fluidmasse über den Abluftkanal zur Umgebung austragbar ist. Alternativ kann über das Ausströmelement die austretende Fluidmasse auch in die Kathodenluft der Brennstoffzelleneinheit zugemischt werden. Der Wasserstoffanteil wird dann beim Durchströmen der Kathode am sich dort befindlichen Katalysator zum Großteil mit Sauerstoff katalytisch umgesetzt. Es entsteht dabei Wasserdampf und Wärme, wel- che die Lufttemperatur erhöht und dadurch für die Beheizung der Raumluft zur Verfügung steht.
Die Hausenergiezentrale ist bevorzugt derart ausgebildet und/oder betreibbar, dass ein Nenn-Betriebsdruck der Speicherkammer weniger als 50 Millibar, bevorzugt weniger als 20 Millibar, weiter bevorzugt weniger als 10 Millibar über einem Betriebsdruck des über den Abluftkanal geführten Abluftstroms liegt. Die die Anodenseite der Brennstoffzelleneinheit ist bevorzugt auf einen Betriebsdruck von höchstens 300 Millibar ausgelegt.
Die Hausenergiezentrale mit der Spülanordnung kann entsprechend der vorbeschriebenen Spülanordnung weiter ausgestaltet sein.
Bezüglich des Verfahrens zum Betreiben einer Hausenergiezentrale wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst mit dem Schritt: Austragen der Fluidmasse über den Abluftkanal zur Umgebung zusammen mit einer Abluft. Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren mit einer vorbeschriebenen Hausenergiezentrale durchgeführt. Eine weitere bevorzugte Anordnung stellt dar, dass die Spülanordnung in Größe und Konfiguration so ausgelegt ist, dass sie gemeinsam für die Brennstoffzelleneinheit und die Elekt- rolyseeinheit verwendbar ist, falls beide Komponenten gleichzeitig im System vorhanden sind. Typischerweise werden die Brennstoffzelleneinheit und die Elektrolyseeinheit zwar nicht gleichzeitig betrieben, die Anforderungen, die die beide Komponenten an die Spülvorrichtung stellen, sind in der Regel unterschiedlich können aber durch die Einstellung der hier beschriebenen Parameter gezielt erfüllt werden. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Fluidmasse mit einem Ablass- Massenstrom von höchstens 2,5 Nl/min pro kW Brennstoffzellen-Nennleistung und die Abluft mit einem Volumenstrom von wenigstens 100 m3/h ausgetragen werden. Das Verfahren kann ein Purgen in Intervallen vorsehen, wobei bevorzugt pro Purge maximal 0,8 Nl pro kW Brennstoffzellen-Nennleistung als Fluidmasse aus einer Brennstoffzellen- einheit und/oder einer Elektrolyseeinheit mit einem Spül-Massenstrom austreten. Bevorzugt liegt zwischen den Intervallen eine Spülpause von wenigstens 20 Sekunden, bevorzugt eine Spülpause von mehr als 30 Sekunden. Bevorzugt sieht das Verfahren vor, dass pro Purge maximal 0,8 Nl pro kW Brennstoffzellen-Nennleistung im Pufferspeicher aufgenommen und über das Ausströmelement mit einem Massenstrom von ungefähr 2 Nl/min pro kW Brennstoffzellen-Nennleistung ausgetragen werden.
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Hausenergiezentrale mit einer Spülanordnung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Hausenergiezentrale mit einer Spülanordnung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung des dritten Ausführungsbeispiels einer Hausenergiezentrale mit Rekombinator als Ausströmelement;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs von Spül-Massenstrom und Ablass-Massenstrom;
Fig. 5 eine schematische Darstellung verschiedener Zustände eines Pufferspeichers; und
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Pufferspeichers mit expandierbarer Speicherkammer.
Eine erfindungsgemäße Hausenergiezentrale 500 in Fig. 1 weist eine Brennstoffzelleneinheit 200 auf. Die Hausenergiezentrale 500 kann ein Aufenthaltsraum-Lüftungssystem aufweisen, von dem vorliegend nur ein Zuluftkanal 551 und ein Abluftkanal 555 gezeigt ist. Des Weiteren weist die Hausenergiezentrale 500 eine Spülanordnung 100 zum Spülen der Brennstoffzelleneinheit 200 auf ihrer Anodenseite 200A auf.
Die Spülanordnung 100 weist einen Spülkanal auf, der vorliegend durch einen ersten Spülkanalabschnitt 20 und einen zweiten Spülkanalabschnitt 21 gebildet ist. Der erste 20 und zweite 21 Spülkanalabschnitt sind über ein Purge-Ventil 10 der Spülanordnung 100 miteinander fluidverbindbar. Der erste Spülkanalabschnitt 20 ist einerseits mit der Anodenseite 200A der Brennstoffzelleneinheit 200, in diesem Beispiel mit einer Brennstoffzellen-Nennleistung von 1 kW, andererseits mit dem Purge-Ventil 10 fluidverbunden. Dem Purge-Ventil 10 nachgeschaltet und über den zweiten Spülkanalabschnitt 21 mit dem Purge-Ventil 10 fluidverbunden ist ein Pufferspeicher 30 mit einer Speicherkammer 31. Der Pufferspeicher 30 zweigt vom zweiten Spülkanalabschnitt 21 ab.
Vorliegend ist die Speicherkammer 31 als Faltenbalg ausgebildet. Die als Faltenbalg ausgebildete Speicherkammer 31 dient zur Zwischenspeicherung einer pulsartig mit einem Spül-Massenstrom M1 aus der Brennstoffzelleneinheit 200 auszuspülenden Fluidmasse. Diese impulsartige mit dem Spül-Massenstrom M1 von beispielsweise 100 Nl/min über einen Zeitraum von ca. 500 Millisekunden ausgespülte Fluidmasse kann bei geöffnetem Purge-Ventil 10 in die als Faltenbalg ausgebildete Speicherkammer 31 eintre- ten, wobei diese dabei expandiert. Die als Faltenbalg ausgebildete Speicherkammer 31 weist in expandiertem Zustand E1 ein Volumen von 2,6 L auf.
Die Spülanordnung 100 weist des Weiteren ein Ausströmelement 40 auf, das mit dem zweiten Spülkanalabschnitt 21 fluidverbunden ist. Das Ausströmelement 40 ist auf einen Ablass-Massenstrom M2 von höchstens 2,5 Nl/min bei Normalbetrieb ausgelegt und dient dem Auslass der Fluidmasse mit einem Ablass-Massenstrom M2, der betragsmäßig deutlich geringer ist als der Spül-Massenstrom M1 .
Vom zweiten Spülkanalabschnitt 21 zweigt ein Nebenkanal 45 ab, der vorliegend siphonartig ausgebildet ist. Im Nebenkanal 45 angeordnet sind ein Gas-Flüssig-Abscheider 50 und ein Ausgleichsbehälter 60. Dem Pufferspeicher 30 ist ein Füllstandssensor 35 zugeordnet, der vorliegend zum Detektieren eines Expansionszustands der Speicherkammer 31 ausgebildet und angeordnet ist. Im vorliegenden Fall ist die Speicherkammer 31 um weniger als 50 % expandiert dargestellt, sodass der Füllstandssensor 35, der vorliegend als optische Lichtschranke ausgebildet ist, nicht auslöst. Über den Zuluftkanal 551 kann Zuluft ZL in einen Gehäuseabschnitt 510 der Hausenergieanlage 500 eintreten, wobei vorliegend Spülanordnung 100 und Brennstoffzelleneinheit 200 innerhalb des Gehäuseabschnitts 510 der Hausenergieanlage 500 angeordnet sind. Über den Abluftkanal 555 ist Abluft AL aus dem Aufenthaltsraum-Lüftungssystem (nicht gezeigt) zur Umgebung führbar. Das Ausströmelement 40 der Spülanordnung 100 ist derart angeordnet, dass die aus dem Ausströmelement 40 austretende Fluidmasse über den Abluftkanal 555 zur Umgebung austragbar ist. Eine Hausenergiezentrale 500 in Fig. 2 weist eine Elektrolyseeinheit 300 mit angeschlossener Spülanordnung 100 auf. Des Weiteren in Fig. 2 gezeigt ist ein Zuluftkanal 551 eines nicht gezeigten Aufenthaltsraum-Lüftungssystems, der in den Gehäuseabschnitt 510 der Hausenergieanlage 500 eintritt. Des Weiteren ersichtlich ist der Abluftkanal 555 eines nicht gezeigten Aufenthaltsraum-Lüftungssystems, aus dem Abluft AL aus dem Gehäuseabschnitt 510, der der Elektrolyseeinheit 300 zugeordnet ist, aus der Hausenergiezentrale 500 austreten kann.
Die Hausenergiezentrale 500 in Fig. 2 weist eine Spülanordnung 100 zum Spülen der Elektrolyseeinheit 300 auf ihrer Kathodenseite 300K auf. Die Spülanordnung 100 weist einen ersten 20 und zweiten 21 Spülkanalabschnitt auf, die über ein Purge-Ventil 10 der Spülanordnung 100 miteinander fluidverbindbar sind. Die Spülanordnung 100 weist ebenfalls einen dem Purge-Ventil 10 nachgeschalteten Pufferspeicher 30 mit einer Speicherkammer 31 auf, die vorliegend als Faltenbalg ausgebildet ist und der Zwischenspei- cherung einer pulsartig mit einem Spül-Massenstrom M1 aus der Elektrolyseeinheit 300 auszuspülenden Fluidmasse vorgesehen ist. Der zweiten Spülkanalabschnitt 21 verläuft zumindest abschnittweise durch den Pufferspeicher 30.
Diese Fluidmasse kann über eine mit dem zweiten Spülkanalabschnitt 21 fluidverbunde- ne Ausströmelement 40 mit einem Ablass-Massenstrom M2, der geringer als der Spül- Massenstrom M1 ist, ausgetragen werden. Vorliegend ist das Ausströmelement 40 der Spülanordnung 100 derart angeordnet, dass die aus dem Ausströmelement 40 austretende Fluidmasse über den Abluftkanal 555 zur Umgebung austragbar ist.
Die Speicherkammer 31 weist einen innenliegenden Wasserabscheider 32 aufweist, so dass abgeschiedenes Wasser einer Hausenergiezentrale zur weiteren Nutzung zurück- geführt werden kann. Dies erfolgt vorliegend über den Nebenkanal 45.
Fig. 3 zeigt die Anordnung aus Fig. 1 , bei der das Ausströmelement 40 als Rekombinator bereitgestellt ist. In das als Rekombinator bereitgestellte Ausströmelement 40 strömt der Ablass-Massenstrom M2 und über einen separaten Lüfter 41 ein Luftstrom M3. Im Inneren des Rekombinators werden die beiden Stoffströme vermischt und der im Ablass- Massenstrom enthaltene Wasserstoff mit Sauerstoff aus dem Luftstrom M3 katalytisch zu Wasser und Wärme umgesetzt. Das nun wasserstofffreie, erwärmte Produktgas wird der Abluft AL zugemischt. Fig. 4 dient der Erläuterung der Funktion der erfindungsgemäßen Spülanordnung anhand eines zeitlichen Massenstromverlaufsdiagramms.
Eine nicht gezeigte Brennstoffzelleneinheit wird in den Zeitpunkten T1 , T2 und T3 jeweils mit einem pulsartigen Spül-Massenstrom M1 , Μ1 ', M1 " gespült. Zwischen den einzelnen Purges liegt eine Pause von jeweils 24 sek. Wie der Fig. 3 entnommen werden kann, weisen die pulsartig ausgespülten Spül-Massenströme M1 , Μ1 ', M1 " jeweils einen Spül- Massenstrom von 5 exemplarisch 96 Nl/min auf, was beispielsweise der Fall ist, wenn ein Purge maximal 0,8 Nl beträgt und innerhalb von 500 Millisekunden an der Anodenseite einer Brennstoffzelleneinheit ausgetragen wird. Ein jeweiliger Ablass-Massenstrom M2, M2' und M3" ist im unteren Teil der Fig. gezeigt. Diese Spül-Massenströme weisen jeweils einen Spül-Massenstrom von unter 2 Nl/min auf. Zur Hälfte eines Intervalls zwischen zwei Purges erreicht ein Spül-Massenstrom M2, Μ2', M3" beispielhaft einen Massenstrom von 0 L/min, das heißt der Pufferspeicher ist entsprechend entladen und für den nächsten pulsartig auszutreibenden Spül-Massenstrom bereit. Fig. 5 zeigt drei Expansionszustände E1 , E2, E3 einer als Faltenbalg ausgebildeten Speicherkammer 31 eines Pufferspeichers 30 einer erfindungsgemäßen Spülanordnung 100. Gezeigt ist ebenfalls ein dem Pufferspeicher 30 zugeordneter Füllstandssensor 35, vorliegend in Form einer Lichtschranke, zum Detektieren eines jeweiligen Expansionszustands der Speicherkammer 31 , vorliegend insbesondere der Fehlerdetektion der als Faltenbalg ausgebildeten Speicherkammer 31.
Fig. 5a) zeigt einen Expansionszustand E1 , der im fehlerfreien Normalbetrieb, unmittelbar nach Aufnahme eines pulsartig mit einem Spül-Massenstrom abgegebenen Purges mit 0,8 Nl, also in einem Zustand, der zum Zeitpunkt T1 , T2 und T3 in Fig. 3 gezeigt ist. Der nicht expandierte Zustand E0 ist in Fig. 5a) durch die entsprechend bezeichnete Achse angedeutet und wird eingenommen bei einer Fluidmasse von 0 bis 0,25 Nl (Totvolumen) in der als Faltenbalg ausgebildeten Speicherkammer 31.
Wie aus Fig. 5b) ersichtlich ist, ist die als Faltenbalg ausgebildete Speicherkammer 31 auf die Hälfte ihres maximalen Expansionszustandes expandiert. Dies kann beispielsweise bei einem Softwarefehler, der die Purgerate beeinflussen kann, der Fall sein. Der Füllstandssensor 35 detektiert den in Fig. 5B gezeigten Expansionszustand E2 der als Faltenbalg ausgebildeten Speicherkammer 31 , wodurch bewirkt wird, dass keine weiteren Purges ausgelöst werden. In Fig. 5c) ist der Fehlerzustand einer in ihrem maximal expandierten Expansionszustand E3 „hängenden", als Faltenbalg ausgebildeten Speicherkammer 31 dargestellt. Auch dieser Expansionszustand E3 wird durch den Füllstandssensor 35 detektiert. Da die als Faltenbalg ausgebildete Speicherkammer 31 nunmehr nicht als Dämpfungspuffer für einen impulsartig ausgespülten Purge dienen kann, steigt der Ablass-Massenstrom M2 auf ein unerwünscht hohes Maß von beispielsweise 4 Nl/min. Um diesen unerwünschten Zustand abzusichern, zweigt vom zweiten Spülkanalabschnitt 21 ein Nebenkanal 45 auf, der einen Gas-Flüssig-Abscheider 50 aufweist. Da der Nebenkanal 45 vorliegend siphonartig ausgebildet ist, dient er als Überdruckschutz für die als Faltenbalg ausgebildete Speicherkammer 31.
In Fig. 6 ist ein Pufferspeicher 30 mit expandierbarer als Kolbenspeicher ausgebildeter Speicherkammer 31. Der Spül-Massenstrom M1 wird in die flüssigkeitsbefüllte Speicherkammer 31 geleitet, welche im gezeigten Ausführungsbeispiel von konzentrisch angeordneten und gegeneinander axial beweglichen Zylinderelementen 31 ', 31 " begrenzt wird und verdrängt dabei die Flüssigkeit FL. Ähnlich einem Kolben bewegt sich das innere Zylinderelement 31 ' nach oben und realisiert dadurch eine Expansion der Speicherkammer 31. Wie bei einem Faltenbalg (vgl. Fig. 5) kann durch eine Endplatte, hier die Deckplatte 32 des innere Zylinderelement 31 ', sowie optional durch eine Federanordnung (nicht gezeigt) ein definierter Druck im Spülgas-Volumen erzeugt werden, der über das Ausströmelement 40 in einem gewünschten Zeitintervall wieder geleert werden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der Fig. 6 ist auch die Funktion einer Gas-/Flüssigkeits- Abscheidung realisiert.

Claims

Ansprüche
1. Spülanordnung (100) zum Spülen (Purgen) einer Brennstoffzelleneinheit (200) auf deren Anodenseite (200A) und/oder einer Elektrolyseeinheit (300) auf deren Kathodenseite (300K), wobei die Spülanordnung (100) einen Spülkanal (20, 21 ), mit einem ersten (20) und einem zweiten (21 ) Spülkanalabschnitt aufweist, die über ein Purge-Ventil (10) der Spülanordnung (100) miteinander fluidverbindbar sind, und mit einem mit dem Spülkanal (20, 21 ) fluidverbundenen und dem Purge-Ventil (10) nachgeschalteten Pufferspeicher (30) mit einer Speicherkammer (31 ), die zur Zwischenspeicherung einer pulsartig mit einem Spül-Massenstrom (M1 ) aus der Brennstoffzelleneinheit (200) und/oder der Elektrolyseeinheit (300) auszuspülenden Fluidmasse vorgesehen ist, sodass diese Fluidmasse mit einem Ablass- Massenstrom (M2), der geringer als der Spül-Massenstrom (M1 ) ist, aus einem mit dem zweiten Spülkanalabschnitt (21 ) fluidverbundenen Ausströmelement (40) ablassbar ist.
2. Spülanordnung (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherkammer (31 ) durch die pulsartig mit den Spül-Massenstrom (M1 ) aus der Brennstoffzelleneinheit (200) und/oder der Elektrolyseeinheit (300) auszuspülenden Fluidmasse expandierbar ist.
3. Spülanordnung (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherkammer (31 ) als Faltenbalg oder Kolbenspeicher oder Blasenspeicher oder Rollmembranspeicher ausgebildet ist.
4. Spülanordnung (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die als Faltenbalg ausgebildete Speicherkammer (31 ) ausgebildet ist durch Gravitationskraft in ihren nicht expandierten Zustand (E0) zurückbewegt zu werden.
5. Spülanordnung (100) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faltenbalg ausgebildete Speicherkammer (31 ) in expandiertem Zustand (E1 ) ein Volumen von weniger als 3 Liter aufweist.
6. Spülanordnung (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherkammer (31 ) als starrer Druckbehälter ausgebildet ist, sodass die pulsartig mit den Spül-Massenstrom aus der Brennstoffzelleneinheit und/oder der Elektrolyse- einheit auszuspülende Fluidmasse zu einem Druckanstieg im der Speicherkammer führt.
7. Spülanordnung (100) nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherkammer einen innenliegenden Was- serabscheider aufweist, so dass abgeschiedenes Wasser einer Hausenergiezentrale zur weiteren Nutzung zurückgeführt werden kann.
8. Spülanordnung (100) nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausströmelement (40) auf einen Ablass- Massenstrom (M2) von höchstens 2,5 Nl/min pro kW Brennstoffzellen- Nennleistung ausgelegt ist.
9. Spülanordnung (100) nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Gas-Flüssig-Abscheider (50) und/oder einen Ausgleichsbehälter (60), der in einem von dem zweiten Spülkanalabschnitt (21 ) abzweigenden Nebenkanal (45) der Spülanordnung (100) angeordnet ist.
10. Spülanordnung (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenkanal (45) syphonartig ausgebildet ist.
1 1. Spülanordnung (100) nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen dem Pufferspeicher (30) zugeordneten Füllstandsensor (35), der insbesondere zum Detektieren eines Expansionszustands der Spei- cherkammer (31 ) ausgebildet und angeordnet ist.
12. Spülanordnung (100) nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausströmelement (40) ein katalytisch aktiver Rekombinator ist oder einen solchen aufweist.
13. Spülanordnung (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem Rekombinator ein Kompressor zur Versorgung des Rekombinators mit Luft zugeordnet ist, dessen Ansteuerung mit einer Ansteuerung des Purge-Ventils (10) zeitlich gekoppelt ist.
14. Spülanordnung (100) nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchflusskoeffizient des Ausströmelements (40) größer oder gleich dem des Purge-Ventils (10) ist.
Hausenergiezentrale (500) mit wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit (200) und/oder Elektrolyseeinheit (300), dadurch gekennzeichnet, dass die Hausenergiezentrale (500) eine Spülanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche aufweist, die zum Spülen der Brennstoffzelleneinheit (200) auf ihrer Anodenseite (200A) und/oder der Elektrolyseeinheit (300) auf ihrer Kathodenseite (300K) angeschlossen ist.
Hausenergiezentrale (500) nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch ein Aufenthaltsraum-Lüftungssystem (550) mit einem Außenzuluftkanal (551 , 551 ') über den Zuluft in das Aufenthaltsraum-Lüftungssystem (550) führbar ist, einem Raumzuluftkanal (553) über den Luft vom Aufenthaltsraum-Lüftungssystem (550) in einen Aufenthaltsraum führbar und mit einem Abluftkanal (555) über den Abluft aus dem Aufenthaltsraum-Lüftungssystem (550) zur Umgebung führbar ist, wobei das Ausströmelement (40) der Spülanordnung (100) derart angeordnet ist, dass die aus dem Ausströmelement (40) austretende Fluidmasse über den Abluftkanal (555) zur Umgebung austragbar ist.
Hausenergiezentrale (500) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nenn-Betriebsdruck der Speicherkammer (31 ) weniger als 50 Millibar, bevorzugt weniger als 20 Millibar, weiter bevorzugt weniger als 10 Millibar über einem Betriebsdruck des über den Abluftkanal (555) geführten Abluftstroms liegt.
Hausenergiezentrale (500) nach einem der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenseite (200A) der Brennstoffzelleneinheit (200) auf einen Betriebsdruck von höchstens 300 Millibar ausgelegt ist.
19. Verfahren zum Betreiben einer Hausenergiezentrale (500) nach einem der Ansprüche 15 bis 18, aufweisend den Schritt: Austragen der Fluidmasse über den Abluftkanal (555) zur Umgebung zusammen mit einer Abluft.
20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Fluidmasse mit Ablass-Massenstrom von höchstens 2,5 Nl/min pro kW Brennstoffzellen-Nennleistung und/oder die Abluft mit einem Volumenstrom von wenigstens 500 m3/h ausgetragen wird.
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