DE10019781A1 - Aggregate, especially drive aggregate for vehicle, has membrane for separating hydrogen from gas mixture - Google Patents
Aggregate, especially drive aggregate for vehicle, has membrane for separating hydrogen from gas mixtureInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Aggregat, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, das für den Betrieb Wasserstoff benötigt, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an assembly, in particular in a motor vehicle, for the Operation requires hydrogen, according to the preamble of claim 1.
Es sind gattungsgemäße Aggregate bekannt, die in Form einer Brennstoffzelle im Kraftfahrzeug zur Erzeugung oder zur Verbrennung von Brenngasen, beispielsweise von Gasgemischen, die Wasserstoff aufweisen, dienen. Im Falle eines mit einer Brennstoffzelle betriebenen Kraftfahrzeugs werden als Betriebsstoffe beispielsweise Methanol und Wasser eingesetzt. Bei der Verwendung eines Methanol-Wasserdampf- Reformers wird mittels des Reformers aus dem Methanol ein wasserstoffreiches Gas gewonnen, das nach der Herstellung einer Gasreinigung unterzogen wird. Im Anschluss an die Gasreinigung liegt ein wasserstoffhaltiges Brenngas vor, das in einem sogenannten "Brennstoffzellen-Stack" mit Luft reagiert zur Herstellung von elektrischem Strom. Als Reaktionsprodukt entsteht Wasser. Die bereits bekannten Aggregate zur Stromerzeugung sind jedoch nachteilhaft, da der Wirkungsgrad und die Leistungsdichte dieser Aggregate nur in unzureichendem Maße den Anforderungen in einem Kraftfahrzeug genügt.Generic units are known which are in the form of a fuel cell Motor vehicle for the generation or combustion of fuel gases, for example from Gas mixtures containing hydrogen are used. In the case of one with one Fuel cell powered motor vehicles are used as supplies, for example Methanol and water are used. When using a methanol water vapor The reformer turns the methanol into a hydrogen-rich gas obtained, which is subjected to gas cleaning after production. In connection there is a hydrogen-containing fuel gas at the gas cleaning, which is in one So-called "fuel cell stack" reacts with air to produce electrical Electricity. Water is the reaction product. The already known units for However, electricity generation is disadvantageous because of the efficiency and the power density of these units only insufficiently meet the requirements in one Motor vehicle is sufficient.
Wasserstoffreiches Gas wird bekannterweise durch die Reformation von Methanol erzeugt, wobei unter anderem auch Kohlenmonoxid entsteht. Kohlenmonoxid beeinflusst allerdings die chemischen Reaktionen in den gattungsgemäßen Aggregaten negativ, beispielsweise wird die Brennstoffzelle durch Kohlenmonoxid vergiftet und die Leistungsdichte der Brennstoffzelle herabgesetzt.Hydrogen-rich gas is known to be produced by the reformation of methanol generated, among other things, carbon monoxide. Carbon monoxide affects however, the chemical reactions in the generic aggregates are negative, for example, the fuel cell is poisoned by carbon monoxide and the Reduced power density of the fuel cell.
Zur Lösung dieses Nachteils wird beispielsweise in der DE 22 45 956 A1 vorgeschlagen, ein Brennstoffzellensystem mit einer zusätzlichen Baugruppe zu verbinden, die es ermöglicht, der Brennstoffzelle reinen Sauerstoff und Wasserstoff zuzuführen. Die reinen Gase müssen hierbei in separaten Behältern im Kraftfahrzeug mitgeführt werden oder im Kraftfahrzeug durch Elektrolyse von Wasser in einer mitgeführten Apparatur erzeugt werden. To solve this disadvantage, it is proposed, for example, in DE 22 45 956 A1, to connect a fuel cell system with an additional assembly that it enables pure oxygen and hydrogen to be supplied to the fuel cell. The pure Gases must be carried in separate containers in the motor vehicle or in Motor vehicle generated by electrolysis of water in an accompanying device become.
Die DE 29 49 011 C2 beschreibt eine Kombination aus einer Lithiumhochenergiezelle des Typs Li/H2O oder Li/H2O2 mit einer Brennstoffzelle, wobei mittels der Lithiumzelle erzeugter Wasserstoff statt eines wasserstoffreichen Gemischs, welches aus dem Methanol-Wasserdampf-Reformer entstehen würde, in der Brennstoffzelle verbrannt wird.DE 29 49 011 C2 describes a combination of a lithium high-energy cell of the type Li / H 2 O or Li / H 2 O 2 with a fuel cell, with hydrogen generated by means of the lithium cell instead of a hydrogen-rich mixture which arises from the methanol-water vapor reformer would be burned in the fuel cell.
Die vorgeschlagenen Verbesserungen zur Erhöhung der Leistungsdichte und des Wirkungsgrads von Aggregaten weisen mehrere Nachteile auf. Für eine Baugruppe, die das Zuführen von reinem Wasserstoff ermöglicht, ist beispielsweise vorgesehen, dass der Wasserstoff aus Wasser mittels Elektrolyse hergestellt wird. Das heißt, eine komplette Elektrolyseapparatur muss in einem Kraftfahrzeug mitgeführt werden, wodurch sich das Gewicht des Fahrzeuges stark erhöht und somit mehr Energie zum Antrieb des Kraftfahrzeugs benötigt wird. Die Kombination von Brennstoffzellen und der Lithiumhochenergiezelle ist sehr kostenaufwendig und erhöht ebenfalls das Gewicht des Fahrzeugs.The proposed improvements to increase the power density and the The efficiency of units has several disadvantages. For an assembly that the supply of pure hydrogen allows, for example, that the hydrogen is produced from water using electrolysis. That is, one complete electrolysis equipment must be carried in a motor vehicle, so the weight of the vehicle increases significantly and thus more energy to drive the Motor vehicle is needed. The combination of fuel cells and the Lithium high energy cell is very expensive and also increases the weight of the Vehicle.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Aggregat vorzuschlagen, das ein verbessertes Betriebsverhalten insbesondere hinsichtlich Leistungsdichte und Wirkungsgrad aufweist.The object of the invention is to propose a generic unit that a improved performance especially with regard to power density and Has efficiency.
Diese Aufgabe wird durch ein Aggregat mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist das erfindungsgemäße Aggregat dadurch gekennzeichnet, dass es eine aus einem Gasgemisch den Wasserstoff separierende Membran aufweist. Es wird vorzugsweise eine spezifisch an den Wasserstoff angepasste Membran verwendet. Bisher wurden in Aggregaten von Kraftfahrzeugen keine Membranen eingesetzt, die geeignet sind, Wasserstoff aus einem Gasgemisch zu separieren. Bisher wurde in Kraftfahrzeugen entweder ein wasserstoffreiches Gasgemisch in der Brennstoffzelle verbrannt oder es wurde reiner Wasserstoff in zusätzlichen Behältern im entsprechenden Kraftfahrzeug mitgeführt. Auch wurde bekannterweise mittels Elektrolyse aus mitgeführtem Wasser reiner Wasserstoff gewonnen. Dagegen erhöht der Betriebsstoff Wasserstoff, der mittels des erfindungsgemäßen Aggregats in angereicherter oder reiner Form der Brennstoffzelle zugeführt wird, vorteilhafterweise die Leistungsdichte und den Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung mittels der Brennstoffzelle, wobei zusätzliche Baugruppen (Behälter zur Zwischenspeicherung von Wasserstoff) nicht mitgeführt werden müssen. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Aggregat, das reinen Wasserstoff mittels einer wasserstoffseparierenden Membran separiert, sehr zuverlässig beziehungsweise störungsunanfällig. Das erfindungsgemäße Aggregat ist in verhältnismäßig einfacher Weise räumlich kompakt und gewichtssparend konzipierbar. Darüber hinaus ist das Aggregat, da reiner Wasserstoff in ihm bereitgestellt oder verbrannt wird, emissionsärmer als bekannte Aggregate, insbesondere in Kraftfahrzeugen. Eine den Wasserstoff aus dem wasserstoffreichen Gasgemisch separierende Membran hat außerdem den Vorteil, das andere im Gasgemisch vorkommende Gase, wie zum Beispiel Kohlenmonoxide, die den Verbrennungsprozess im Aggregat negativ beeinflussen, zurückgehalten werden und somit nicht ins Aggregat gelangen.This object is achieved by an aggregate with the features of claim 1. The unit according to the invention is characterized in that it is made of a gas mixture has the hydrogen separating membrane. It will preferably a membrane specifically adapted to the hydrogen is used. So far, no membranes have been used in motor vehicle assemblies are suitable for separating hydrogen from a gas mixture. So far, in Motor vehicles either a hydrogen-rich gas mixture in the fuel cell burned or there was pure hydrogen in additional containers in the corresponding Motor vehicle carried. It was also known to use electrolysis water carried pure hydrogen. In contrast, the fuel increases Hydrogen, which is enriched or pure by means of the aggregate according to the invention Form of the fuel cell is supplied, advantageously the power density and the Efficiency in power generation using the fuel cell, with additional Assemblies (containers for temporary storage of hydrogen) not included Need to become. In addition, the aggregate according to the invention is the pure one Hydrogen separated using a hydrogen-separating membrane, very reliable or insensitive to interference. The unit according to the invention is in can be designed in a relatively simple manner, in a spatially compact and weight-saving manner. In addition, the aggregate is provided as pure hydrogen or is burned, with lower emissions than known units, especially in Motor vehicles. One is the hydrogen from the hydrogen-rich gas mixture Separating membrane also has the advantage of the other in the gas mixture occurring gases, such as carbon monoxides, that affect the combustion process influence negatively in the aggregate, are retained and therefore not in the aggregate reach.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Membran Poren mit Durchmessern im Nanobereich auf. Vorteilhafterweise ist dadurch eine Separation im molekularen Bereich möglich, das heißt Atome oder Moleküle, wie sie beispielsweise in Gasgemischen vorkommen, können aufgrund ihrer unterschiedlichen Größe hochselektiv getrennt werden. Hochselektiv im Sinne der Erfindung heißt, dass aus einem Gasgemisch ausschließlich oder nahezu ausschließlich Wasserstoff separiert wird. Durch den Aufbau der Membran, also durch die Poren mit Durchmessern im Nanobereich, erhält die Membran demgemäß hochselektive Eigenschaften.According to a preferred embodiment, the membrane has pores with diameters in the nano range. This advantageously means a separation in the molecular Possible range, that is, atoms or molecules, such as in Gas mixtures can be highly selective due to their different sizes be separated. Highly selective in the sense of the invention means that from one Gas mixture is separated exclusively or almost exclusively hydrogen. Due to the structure of the membrane, i.e. through the pores with diameters in the Accordingly, the membrane receives highly selective properties.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Durchmesser der Poren so ausgebildet, dass sie vom Wasserstoff nicht jedoch von anderen Gasen oder Flüssigkeiten durchdrungen werden. Die Poren mit Durchmessern im Nanometerbereich lassen aufgrund der gewählten Durchmessergröße Wasserstoff, jedoch keine anderen Bestandteile des Gasgemisches passieren. Ein Aggregat, insbesondere ein Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug, das eine solche Membran aufweist, wird entweder ausschließlich oder nahezu ausschließlich mit Wasserstoff beaufschlagt oder gibt Wasserstoff oder nahezu ausschließlich Wasserstoff frei. Der Durchmesser der Poren kann jedoch auch so ausgewählt sein, dass vor allem Wasserstoff aus dem Gasgemisch durch die Poren hindurchdringen kann und somit aus dem Gasgemisch separiert wird. Vorzugsweise wird reiner Wasserstoff aus dem Gasgemisch mittels der Membran erhalten. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Membran das Gasgemisch so separiert, dass ein stark mit Wasserstoff angereichertes Gasgemisch entsteht, so dass beispielsweise ein Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug mit einem Gasgemisch beaufschlagt wird, das vor allem aus Wasserstoff aufweist. Ferner kann vorgesehen sein, dass das Aggregat vor allem, wenn es das Gasgemisch, insbesondere das wasserstoffreiche Gasgemisch, selbst produziert, mittels der Membran vorzugsweise reinen Wasserstoff oder wenigstens ein vorteilhafterweise zusätzlich angereichertes Wasserstoffgasgemisch freigibt.In a further advantageous embodiment of the invention, the diameters are Pores formed in such a way that they cannot be separated from other gases or hydrogen Liquids are penetrated. The pores with diameters in the nanometer range allow hydrogen due to the selected diameter size, but no others Pass components of the gas mixture. An aggregate, especially one Drive unit for a motor vehicle, which has such a membrane either exclusively or almost exclusively exposed to hydrogen, or releases hydrogen or almost exclusively hydrogen. The diameter of the However, pores can also be selected so that especially hydrogen from the Gas mixture can penetrate through the pores and thus from the gas mixture is separated. Pure hydrogen is preferably obtained from the gas mixture by means of the Preserved membrane. However, it can also be provided that the membrane Gas mixture separated so that a gas mixture highly enriched with hydrogen arises, so that for example a drive unit for a motor vehicle with a Gas mixture is applied, which mainly consists of hydrogen. Furthermore, be provided that the unit especially when it is the gas mixture, in particular the hydrogen-rich gas mixture, self-produced, preferably by means of the membrane pure hydrogen or at least one advantageously additionally enriched Releases hydrogen gas mixture.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, das die Membran aus Polyfurfurylalkohol hergestellt ist. Polyfurfurylalkohol wird durch einen geeigneten physikalischen oder chemischen Prozess so modifiziert und umgewandelt, dass die Membran erhalten wird.In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the Membrane made of polyfurfuryl alcohol. Polyfurfuryl alcohol is replaced by a appropriate physical or chemical process modified and converted so that the membrane is preserved.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Membran durch Pyrolyse des Polyfurfurylalkohols hergestellt. Mit Vorteil entsteht bei der thermischen Zersetzung des Polyfurfurylalkohols eine Membran, die molekulare Poren mit Selektivität für bestimmte Atome oder Moleküle, insbesondere Wasserstoff aufweist. Vorteilhalfterweise entsteht durch die Pyrolyse des Polyfurfurylalkohols eine Membran, die eine solche mechanische Stabilität aufweist, dass sie in Aggregaten, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, eingesetzt werden kann. Die Pyrolyse gestattet es vorteilhafterweise weiterhin, dass die Membran eine gleichbleibende und dauerhafte Selektivität für Gase oder Gasbestandteile, insbesondere Wasserstoff aus dem Gasgemisch, aufweist.In a further advantageous embodiment, the membrane by pyrolysis of Polyfurfuryl alcohol made. The thermal decomposition of the Polyfurfuryl alcohol is a membrane that has selectivity for certain molecular pores Has atoms or molecules, especially hydrogen. Advantageously, arises by the pyrolysis of polyfurfuryl alcohol, a membrane which is such a mechanical Stability has that it in aggregates, especially in a motor vehicle, can be used. Pyrolysis advantageously also allows the Membrane a constant and permanent selectivity for gases or Has gas components, in particular hydrogen from the gas mixture.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Membran baueinheitlicher Bestandteil des Aggregats. Vorteilhafterweise ist die Membran nicht über Baugruppen oder Zuleitungssysteme mit dem Aggregat, insbesondere in Kraftfahrzeugen, wirkverbunden, sondern baueinheitlicher Bestandteil des Aggregats. Das heißt, die Membran ist innerhalb des Aggregats so positioniert und integriert, dass sie aus einem Gasgemisch Wasserstoff separieren kann. Vorteilhafterweise wird hierdurch eine sehr kompakte und montagefreundliche Anordnung der Membran im Aggregat erreicht.In a further advantageous embodiment of the invention, the membrane component of the unit. The membrane is advantageously not over Assemblies or supply systems with the unit, especially in Motor vehicles, functionally linked, but a structural component of the unit. This means that the membrane is positioned and integrated within the unit in such a way that it can separate hydrogen from a gas mixture. Advantageously thereby a very compact and easy-to-assemble arrangement of the membrane in Aggregate reached.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Membran in einem Betriebsstoffzuführweg des Aggregats angeordnet. Das Aggregat kann über mehrere Betriebsstoffzuführleitungen ein anderes Aggregat mit Betriebsstoffen versorgen oder selbst mit Betriebsstoffen versorgt werden. Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass in den Betriebsstoffzuführleitungen die wasserstoffseparierende Membran eingebaut wird, so dass das Aggregat entweder mit dem separierten Wasserstoff beaufschlagt wird oder, wenn es das wasserstoffreiche Gasgemisch selbst herstellt, separierten Wasserstoff freigibt. Da Betriebsstoffzuführwege bereits in bekannten Aggregaten zum Einsatz kommen, ist nur ein geringer apparativer Mehraufwand für den Einsatz der wasserstoffseparierenden Membran erforderlich.In a further advantageous embodiment of the invention, the membrane is in one Fuel supply path of the unit arranged. The unit can have several Supply another supply unit with operating materials or are supplied with operating materials themselves. It can be expediently provided that the hydrogen-separating membrane in the fuel supply lines is installed so that the aggregate either with the separated hydrogen or if it produces the hydrogen-rich gas mixture itself, releases separated hydrogen. Because fuel supply routes are already known Aggregates are used, is only a little additional equipment for the Use of the hydrogen-separating membrane required.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Aggregat ein Reformer oder eine Brennstoffzelle ist, wobei im Falle eines Reformers das Gasgemisch von selbigem geliefert wird. Wenn das Aggregat als Reformer ausgestaltet ist, kann die Membran dazu dienen, dass das in dem Reformer gewonnene Gasgemisch durch die Membran so separiert wird, dass nur der reine oder nahezu reine Wasserstoff die Membran durchdringt. Es kann jedoch erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass das Aggregat eine Brennstoffzelle ist. Eine Brennstoffzelle, die die wasserstoffseparierende Membran aufweist, kann mit einem Gasgemisch beaufschlagt werden, wobei durch die separierende Membran das Gasgemisch so fraktioniert wird, dass nur der reine Wasserstoff in die Brennstoffzelle gelangen kann. Der reine Wasserstoff kann so vorteilhafterweise direkt mit dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft in der Brennstoffzelle zur chemischen Reaktion gebracht werden.In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the Unit is a reformer or a fuel cell, which in the case of a reformer Gas mixture is supplied by the same. If the unit is designed as a reformer is, the membrane can serve that the gas mixture obtained in the reformer is separated by the membrane so that only the pure or almost pure hydrogen penetrates the membrane. However, it can also be provided according to the invention that the unit is a fuel cell. A fuel cell that Has hydrogen-separating membrane, can be acted upon by a gas mixture be, whereby the gas mixture is fractionated by the separating membrane, that only pure hydrogen can get into the fuel cell. The pure one Hydrogen can thus advantageously directly with the oxygen from the ambient air are brought to a chemical reaction in the fuel cell.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Reformer ein Methanol-Wasserdampf-Reformer. Methanol-Wasserdampf-Reformer sind in der Lage, aus Methanol und Wasser ein wasserstoffreiches Brenngas herzustellen. Ein Methanol- Wasserdampf-Reformer, der eine wasserstoffseparierende Membran aufweist, kann vorteilhafterweise den reinen Wasserstoff direkt an eine Brennstoffzelle weiterleiten, ohne dass eine Gasreinigung zur Entfernung des Kohlenmonoxids des durch den Methanol-Wasserdampf-Reformer hergestellten wasserstoffhaltigen Gasgemischs erforderlich ist. Ein Kraftfahrzeug, was mit einem Methanol-Wasserdampf-Reformer mit einer wasserstoffseparierenden Membran ausgerüstet ist, kann daher vorteilhafterweise auf die Baugruppe zur Gasreinigung vollständig oder nahezu vollständig verzichten. Der gesamte Ablauf der Herstellung des wasserstoffreichen oder wasserstoffhaltigen Brenngases wird dadurch vereinfacht und zuverlässiger.In a further advantageous embodiment of the invention, the reformer is a Methanol water vapor reformer. Methanol water vapor reformers are able to to produce a hydrogen-rich fuel gas from methanol and water. A methanol Water vapor reformer, which has a hydrogen-separating membrane advantageously transfer the pure hydrogen directly to a fuel cell, without gas cleaning to remove the carbon monoxide from the Methanol-water vapor reformer produced hydrogen-containing gas mixture is required. A motor vehicle what with a methanol water vapor reformer a hydrogen-separating membrane can therefore advantageously completely or almost completely dispense with the gas cleaning assembly. The entire process of producing the hydrogen-rich or hydrogen-containing This makes fuel gas easier and more reliable.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.Further advantages of the invention result from the description.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to a drawing. Show it:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Aggregats mit Zuführwegen, Fig. 1 is a schematic view of an assembly with supply paths,
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Aggregats mit einer radial in einem Rohr aufgetragenen Membran und Fig. 2 is a schematic view of an assembly with a radially applied in a tube and membrane
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Reformers und einer Brennstoffzelle. Fig. 3 is a schematic view of a reformer and a fuel cell.
Die Fig. 1 zeigt ein in einem nicht dargestellten Fahrzeug installiertes Aggregat 1, das als Brennstoffzelle 3 ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 3 ist eingangsseitig mit voneinander getrennten Zuführleitungen 5 und ausgangsseitig mit einer Abgasleitung 17 wirkverbunden. Die Zuführleitungen 5 sind als Betriebsstoffzuführwege in Form eines Umgebungsluftzuführkanals 7 und eines kanalförmigen Zuleitungssystems 9 ausgebildet, wobei das Zuleitungssystem 9 einen Reformer 2 mit der Brennstoffzelle 3 wirkverbindet. Der Reformer 2 ist eingangsseitig mit einer Betriebsstoffzuführleitung 19 wirkverbunden, mittels welcher unter anderem vorzugsweise Methanol in den Reformer 2 zur Herstellung eines wasserstoffhaltigen Gases zugeführt wird. Fig. 1 shows an installed in an unillustrated vehicle unit 1, which is formed as fuel cell 3. The fuel cell 3 is operatively connected on the input side to feed lines 5 which are separate from one another and on the output side to an exhaust gas line 17 . The supply lines 5 are designed as fuel supply paths in the form of an ambient air supply channel 7 and a channel-shaped supply system 9 , the supply system 9 operatively connecting a reformer 2 to the fuel cell 3 . The reformer 2 is operatively connected on the input side to a fuel supply line 19 , by means of which, among other things, preferably methanol is fed into the reformer 2 for producing a hydrogen-containing gas.
Das Zuleitungssystem 9 umfasst einen Wasserstoffgemischzuführkanal 11, welcher mit einem Wasserstoffzuführkanal 13 der Brennstoffzelle 3 mittels einer zwischenangeordneten Membran 15 wirkverbunden ist. Die Membran 15 ist somit in der Brennstoffzelle 3 in einem Übergangsbereich zwischen dem Wasserstoffgemischzuführkanal 11 und dem Wasserstoffzuführkanal 13 angeordnet.The feed line system 9 comprises a hydrogen mixture feed channel 11 , which is operatively connected to a hydrogen feed channel 13 of the fuel cell 3 by means of an intermediate membrane 15 . The membrane 15 is thus arranged in the fuel cell 3 in a transition region between the hydrogen mixture supply channel 11 and the hydrogen supply channel 13 .
Der Umgebungsluftzuführkanal 7 wird mittels eines nicht dargestellten Ansaugsystems mit Umgebungsluft versorgt. Die sauerstoffhaltige Umgebungsluft wird durch den Umgebungsluftzuführkanal 7 in die Brennstoffzelle 3 geführt.The ambient air supply duct 7 is supplied with ambient air by means of an intake system, not shown. The oxygen-containing ambient air is led through the ambient air supply channel 7 into the fuel cell 3 .
Durch die im Wasserstoffgemischzuführkanal 11 und im Wasserstoffzuführkanal 13 vorherrschenden Betriebsdruckverhältnisse wird das wasserstoffhaltige Gasgemisch in einem ersten Schritt mittels des Wasserstoffgemischzuführkanal 11 eingangsseitig zur Membran 15 geleitet. Die Membran 15 weist als Durchgangsöffnungen ausgebildete Poren mit Durchmessern im Nanometer-Bereich auf. Die Durchmesser dieser Poren sind so gewählt, dass die Poren verschiedene Gase oder Bestandteile des wasserstoffhaltigen Gases oder Gasgemisches unterschiedlich stark oder überhaupt nicht durch die Membran 15 passieren lassen. Die Membran 15 ist dabei so ausgebildet, dass sie aufgrund der vorherrschenden Druckverhältnisse im Zuleitungssystem 9 - be ziehungsweise im Wasserstoffgemischzuführkanal 11 - und im Wasserstoffzuführkanal 13 einerseits, und andererseits aufgrund der gewählten Größe der Durchmesser der in ihr vorhandenen Poren ausschließlich oder wenigstens hauptsächlich Wasserstoff in den Wasserstoffzuführkanal 13 hindurch diffundieren lässt. Andere Bestandteile des wasserstoffhaltigen Gases, wie beispielsweise Kohlenmonoxid, können die Membran 15 aufgrund der gewählten Größe der Porendurchmesser nicht durchdringen.As a result of the operating pressure conditions prevailing in the hydrogen mixture supply channel 11 and in the hydrogen supply channel 13 , the hydrogen-containing gas mixture is conducted in a first step to the membrane 15 by means of the hydrogen mixture supply channel 11 . The membrane 15 has pores formed as through openings with diameters in the nanometer range. The diameters of these pores are selected such that the pores allow different gases or components of the hydrogen-containing gas or gas mixture to pass through the membrane 15 to different extents or not at all. The membrane 15 is designed in such a way that due to the prevailing pressure conditions in the supply system 9 - or in the hydrogen mixture supply channel 11 - and in the hydrogen supply channel 13 on the one hand, and on the other hand due to the selected size the diameter of the pores present in it exclusively or at least mainly hydrogen in the Hydrogen feed channel 13 can diffuse through. Other components of the hydrogen-containing gas, such as carbon monoxide, cannot penetrate the membrane 15 due to the selected size of the pore diameter.
Dabei kann der Wasserstoff verhältnismäßig schnell die Membran 15 beziehungsweise deren Poren durchdringen, so dass eine zuverlässige und hinreichende Beaufschlagung der Brennstoffzelle 3 mit Wasserstoff gewährleistet ist. Dabei ist die Wasserstoff separierende Fläche der Membran 3 so groß zu wählen, dass infolge des vorliegenden Betriebsdruckunterschieds zwischen Wasserstoffgemischzuführkanal 11 und Wasserstoffzuführkanal 13 ausreichend Wasserstoff zur Reaktion in der Brennstoffzelle 3 bereitgestellt werden kann. Mittels der Membran 15 wird somit in dem nachgeordneten Wasserstoffzuführkanal 13 der aus dem Wasserstoffgemisch separierte, reine oder nahezu reine Wasserstoff geleitet. Der in dem Wasserstoffzuführkanal 13 befindliche Wasserstoff gelangt in die Brennstoffzelle 3, wo er in einer Reaktionseinheit mit dem durch den Umgebungsluftzuführkanal 7 zugeführten, sauerstoffhaltigen Gasgemisch chemisch reagieren kann, so dass elektrischer Strom für den Elektroantrieb des Kraftfahrzeugs mittels der Brennstoffzelle 3 herstellbar ist.The hydrogen can penetrate the membrane 15 or its pores relatively quickly, so that a reliable and sufficient exposure of the fuel cell 3 to hydrogen is ensured. The hydrogen-separating surface of the membrane 3 is to be chosen so large that sufficient hydrogen can be made available for reaction in the fuel cell 3 as a result of the operating pressure difference between the hydrogen mixture supply channel 11 and the hydrogen supply channel 13 . By means of the membrane 15 , the pure or almost pure hydrogen separated from the hydrogen mixture is thus conducted in the downstream hydrogen supply channel 13 . The hydrogen located in the hydrogen feed channel 13 reaches the fuel cell 3 , where it can react chemically in a reaction unit with the oxygen-containing gas mixture supplied through the ambient air feed channel 7 , so that electric current for the electric drive of the motor vehicle can be produced by means of the fuel cell 3 .
Der weitere konstruktive Aufbau und die weitere Funktionsweise des Brennstoffzellensystem sind an sich bekannt und werden deshalb nicht im Detail beschrieben oder dargestellt.The further construction and the further functioning of the Fuel cell systems are known per se and are therefore not described in detail described or illustrated.
Die Fig. 2 zeigt ein Aggregat nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, das im wesentlichen so aufgebaut ist wie das Aggregat gemäß Fig. 1. Insoweit wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen und im Nachstehenden nur noch auf die Unterschiede eingegangen. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist die Membran 15 radial in einem Rohr 18 aufgetragen, wodurch vorteilhafterweise die Membranfläche gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 vergrößert wird. Das wasserstoffhaltige Gasgemisch wird gemäß Pfeil 19 in den Wasserstoffgemischzuführkanal 11 geführt, wodurch im Wasserstoffgemischzuführkanal 11 ein Druck aufgebaut wird, der kleiner als der Druck in dem Rohr 18 ist. Die Druckdifferenz ist für den Prozess einer Diffusion von Bestandteilen des wasserstoffhaltigen Gasgemisches durch die Membran 15 vorteilhaft. Durch Diffusionsprozesse an der Membran 15 wird das wasserstoffhaltige Gasgemisch in ein wasserstoffreiches und ein wasserstoffarmes Gas und/oder Gasgemisch geteilt. Die Diffusion durch die Membran 15 führt unter anderem zu einer Separation des wasserstoffreichen Gasgemisches in verschiedene Bestandteile, wobei vor allem Wasserstoff die Membran 15 durchdringt und so in das Rohr 18 geführt wird. Das wasserstoffreiche Gas und/oder Gasgemisch in dem Rohr 18 wird gemäß Pfeil 21 zur der Brennstoffzelle 3 geleitet und das wasserstoffarme Gas und/oder Gasgemisch wird gemäß Pfeil 23 zu der Abgasleitung 17 geführt. FIG. 2 shows an assembly according to a further exemplary embodiment, which is essentially constructed in the same way as the assembly according to FIG. 1. In this regard, reference is made to the above description and only the differences are discussed below. In contrast to the exemplary embodiment in FIG. 1, the membrane 15 is applied radially in a tube 18 , as a result of which the membrane surface is advantageously enlarged compared to the exemplary embodiment in FIG. 1. The hydrogen-containing gas mixture is fed according to arrow 19 in the Wasserstoffgemischzuführkanal 11, whereby a pressure is built up in Wasserstoffgemischzuführkanal 11 which is less than the pressure in the pipe 18 is. The pressure difference is advantageous for the process of diffusion of components of the hydrogen-containing gas mixture through the membrane 15 . The hydrogen-containing gas mixture is divided into a hydrogen-rich and a hydrogen-poor gas and / or gas mixture by diffusion processes on the membrane 15 . The diffusion through the membrane 15 leads, among other things, to a separation of the hydrogen-rich gas mixture into various components, in particular hydrogen penetrating the membrane 15 and thus being fed into the tube 18 . The hydrogen-rich gas and / or gas mixture in the pipe 18 is led to the fuel cell 3 according to arrow 21 and the hydrogen-poor gas and / or gas mixture is led to the exhaust pipe 17 according to arrow 23 .
Die Fig. 3 zeigt ein in einem nicht dargestellten Fahrzeug installiertes Aggregat 1, das als Reformer 2 ausgebildet ist. Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 entspricht im wesentlichen hinsichtlich des konstruktiven Aufbaus und der Funktionsweise derjenigen nach Fig. 1, wobei als einziger Unterschied nicht wie in Fig. 1 die Membran 15 in der Brennstoffzelle 3 angeordnet ist, sondern Teil des Reformers 2 ist. Die Membran 15 befindet sich demgemäss zwischen Wasserstoffgemischzuführkanal 11 und Wasserstoffzuführkanal 13 innerhalb des Reformers 2. Die Separierung von Wasserstoff aus einem wasserstoffhaltigen Gas und/oder Gasgemisch erfolgt somit gemäß der in Fig. 3 dargestellten, alternativen Ausführungsform im Reformer 2, wobei der separierte Wasserstoff - beziehungsweise das mittels der Membran 15 zusätzlich wasserstoffangereichertes Gasgemisch - vom Reformer 2 durch die Wasserstoffzuführleitung 13 in die Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Fig. 3 shows an installed in an unillustrated vehicle unit 1, which is designed as a reformer 2. The embodiment according to FIG. 3 essentially corresponds to that according to FIG. 1 in terms of its construction and mode of operation, the only difference being that the membrane 15 is not arranged in the fuel cell 3 as in FIG. 1, but is part of the reformer 2 . The membrane 15 is accordingly between the hydrogen mixture feed channel 11 and the hydrogen feed channel 13 within the reformer 2 . The separation of hydrogen from a hydrogen-containing gas and / or gas mixture thus takes place in the reformer 2 according to the alternative embodiment shown in FIG. 3, the separated hydrogen - or the gas mixture additionally enriched by means of the membrane 15 - from the reformer 2 through the hydrogen supply line 13 is fed into the fuel cell 3 .
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