DE102014217450A1 - Vorrichtung zur Wassergewinnung aus einem Gas und Verfahren zur Stickoxidreduktion - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (30) zur Wassergewinnung aus einem Gas, die eingerichtet ist, um einem Elektrolyseur (50) Wasser zuzuführen, wobei der Elektrolyseur (50) eingerichtet ist, um mindestens einem Stickoxidreduktionskatalysator (23) Wasserstoff zuzuführen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Stickoxidreduktion. Diese umfasst die Gewinnung von Wasser aus einem Gas, das Zuführen des Wassers zu einem Elektrolyseur (50), und das Zuführen von Wasserstoff aus dem Elektrolyseur (50) zu mindestens einem Stickoxidreduktionskatalysator (23).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wassergewinnung aus einem Gas. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Stickoxidreduktion, insbesondere unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um eine Stickoxidreduktion mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
  • Stand der Technik
  • Kraftfahrzeuge werden heute mit energiesparenden Verbrennungsmotoren ausgestattet, die vor allem in Verbrennungszuständen betrieben werden, die einen Luftüberschuss aufweisen (Lambda > 1). Dadurch werden Stickoxide gebildet, die im Katalysator reduziert werden müssen. Hierzu sind zwei Verfahren bekannt:
    Der Stickoxidspeicherkatalysator (Nitrogen Oxide Storage Catalyst; NSC) speichert die Stickoxide ein. Danach werden diese bei gefülltem Speicher oder zwischendurch in einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors, in dem fettes Abgas (Lambda < 1) produziert wird, reduziert. Die Stickoxide reagieren zu Wasser, Kohlendioxid und Stickstoff. Dies geschieht durch Umsetzung der Stickoxide mit Wasserstoff oder Kohlenmonoxid, die in diesem Betriebszustand im Abgas vorhanden sind. Danach wird das Motormanagement wieder auf normalen Fahrbetrieb mit magerem Abgas umgestellt.
  • Bei Verwendung eines selektiven Reduktionskatalysators (Selective Catalytic Reduction; SCR) wird aus einer Harnstoffwasserlösung (HWL), die in den Abgasstrang eingeblasen wird, Ammoniak erzeugt und dieses reagiert auf einem speziellen Katalysator mit den Stickoxiden zu Wasser und Stickstoff. Das Abgas ist in diesem Verfahren mager (Lambda > 1). Allerdings hat die Verwendung des SCR-Katalysators den Nachteil, dass bei zu hoher HWL-Dosierung nicht umgesetztes Ammoniak aus dem Katalysator austritt und durch diesen sogenannten Schlupf in die Umwelt gelangt. Außerdem ist die Harnstoffwasserlösung korrosiv und erfordert eine aufwendige Handhabung.
  • Sowohl das NSC-Verfahren als auch das SCR-Verfahren werden zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas von Otto-Motoren angewendet. Bei Dieselmotoren wird überwiegend das SCR-Verfahren verwendet, da der Dieselmotor sich nicht günstig längere Zeit im fetten Zustand bei Lambda < 1 betreiben lässt. Hier erzeugt er sehr viel Ruß.
  • Alternativ zum Fettbetrieb beim NSC und zur Dosierung von Harnstoff beim SCR kann auch Wasserstoff stromaufwärts des NSC- und/oder SCR-Katalysators in den Abgasstrang dosiert werden und zur Reduktion der Stickoxide verwendet werden. Wasserstoff kann entweder in einem kleinen Drucktank mitgeführt werden oder an Bord des Kraftfahrzeugs mittels Dampfreformierung oder Elektrolyse aus Wasser erzeugt werden. Wasser für die Elektrolyse muss in dem Tank mitgeführt werden und muss regelmäßig nachgefüllt werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wassergewinnung aus einem Gas ist eingerichtet, um einem Elektrolyseur Wasser zuzuführen. Der Elektrolyseur ist eingerichtet, um mindestens einem Stickoxidreduktionskatalysator Wasserstoff zuzuführen. Der mindestens eine Stickoxidreduktionskatalysator ist insbesondere ein NSC-Katalysator und/oder ein SCR-Katalysator. In einem Kraftfahrzeug, welches die erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist, muss Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolyse nicht mitgeführt und nachgetankt werden, sondern kann an Bord des Kraftfahrzeugs gewonnen werden.
  • Es ist bevorzugt, dass die Vorrichtung zur Wassergewinnung aus einem Gas so mit dem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors verbunden ist, dass ihr Abgas des Verbrennungsmotors zuführbar ist. Dies ermöglicht es dem Elektrolyseur Wasser zuzuführen, welches bei der Kraftstoffverbrennung im Verbrennungsmotor entsteht.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Vorrichtung zur Wassergewinnung aus einem Gas so mit einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs verbunden ist, dass sie Wasser aus einem Kondensator der Klimaanlage entnehmen kann. Dies ermöglicht es dem Elektrolyseur Wasser aus der Umgebungsluft zuzuführen.
  • Um eine hohe Qualität des dem Elektrolyseur zugeführten Wassers zu gewährleisten, ist es bevorzugt, dass die Vorrichtung eine Umkehrosmoseeinheit aufweist, die so angeordnet ist, dass Wasser, welches die Vorrichtung zur Wassergewinnung verlässt, in der Umkehrosmoseeinheit aufbereitet wird, bevor es dem Elektrolyseur zugeführt wird. Umkehrosmose hat gegenüber alternativen Verfahren, wie beispielsweise der Wasseraufreinigung mittels eines Ionenaustauschers, den Vorteil, dass dieses Membranverfahren wartungsfrei sehr lange Betriebszeiten erreicht. Eine Ionenaustauscherkartusche muss hingegen regelmäßig gewechselt werden oder für lange Betriebszeiten extrem groß ausgelegt werden, was Bauraum und Kostennachteile mit sich bringt. Grundsätzlich kann die Vorrichtung allerdings anstelle der Umkehrosmoseeinheit oder zusätzlich zu dieser auch noch weitere Komponenten zur Wasseraufbereitung aufweisen. Hierbei handelt es sich insbesondere um einen mechanischen Filter zur Entfernung von Partikeln (Abrieb), einen Aktivkohlefilter zur Entfernung von Kohlenwasserstoffen, und/oder einen Ionenaustauscher zur Entfernung von Fremdionen, wie beispielsweise Eisenionen (insbesondere Fe2+) aus dem Abgasstrang.
  • Der Elektrolyseur ist vorzugsweise ein PEM-Elektrolyseur, das heißt ein Elektrolyseur mit einer Protonen leitenden Polymermembran (Proton Exchange Membran; PEM). Ein PEM- Elektrolyseur ist aufgrund seiner besonders kompakten Bauweise für die Erzeugung von Wasserstoff an Bord eines Kraftfahrzeugs besonders geeignet. Er stellt zwar hohe Anforderungen an die Wasserqualität des zur Elektrolyse verwendeten Wassers, insbesondere hinsichtlich des Fremdionengehalts, der zu einem maximal zulässigen Leitwert des Wassers von weniger als 1,0 µS/cm oder sogar weniger als 0,1 µS/cm führen darf. Diese Anforderungen können jedoch mit der erfindungsgemäßen Wassergewinnung erfüllt werden.
  • Vorzugsweise weist die Vorrichtung einen Wasserstoffdrucktank auf, der so angeordnet ist, dass Wasserstoff, der den Elektrolyseur verlässt, in dem Wasserstoffdrucktank zwischenspeicherbar ist, wobei er dem mindestens einen Stickoxidreduktionskatalysator zugeführt wird. Das Zuführen kann beispielsweise erfolgen, indem der Wasserstoff stromaufwärts des Stickoxidreduktionskatalysators in den Abgasstrang eindosiert wird. Der Wasserstoff kann hierzu im Elektrolyseur direkt bei dem benötigten Wasserstofftankdruck erzeugt werden. Hierzu wird er bevorzugt in einem Druckbereich von 0,5 bis 15 MPa, besonders bevorzugt von 1 bis 6 MPa, ganz besonders bevorzugt von 1 bis 3 MPa erzeugt.
  • Die Zwischenspeicherung des Wasserstoffs in dem Wasserstoffdrucktank ermöglicht eine bedarfsgerechte Versorgung des Stickoxidreduktionskatalysators mit Wasserstoff.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Elektrolyseur eingerichtet, um bei der Elektrolyse von Wasser erzeugten Sauerstoff in die Umgebungsluft zu entlassen. Dies ermöglicht es, die Sauerstoffseite des Elektrolyseurs bei Atmosphärendruck zu betreiben.
  • In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Stickoxidreduktionskatalysator in einem Abgasstrang angeordnet ist, wobei ein Rußfilter in dem Abgasstrang angeordnet ist. Der Elektrolyseur ist eingerichtet, um dem Rußfilter Sauerstoff zuzuführen. Dies ermöglicht eine Unterstützung der Reduktion des im Rußfilter gesammelten Rußes durch Dosierung des bei der Elektrolyse erzeugten Sauerstoffs in den Abgasstrang stromaufwärts des Rußfilters. Das Zuführen kann beispielsweise erfolgen, indem der Wasserstoff stromaufwärts des Rußfilters in den Abgasstrang eindosiert wird.
  • Es ist besonders bevorzugt, dass die Vorrichtung einen Sauerstoffdrucktank aufweist, der so angeordnet ist, dass Sauerstoff, der den Elektrolyseur verlässt, in dem Sauerstoffdrucktank zwischenspeicherbar ist, bevor er dem Rußfilter zugeführt wird. Hierzu kann die Sauerstoffseite des Elektrolyseurs mit erhöhtem Druck betrieben werden, so dass der Sauerstoff im Elektrolyseur direkt beim benötigten Sauerstofftankdruck erzeugt werden kann. Die Zwischenspeicherung des Sauerstoffs hat den Vorteil, dass dieser dem Rußfilter bedarfsgerecht während eines Regenerationsbetriebes zugeführt werden kann.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Stickoxidreduktion, insbesondere im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, umfasst die Gewinnung von Wasser aus einem Gas, das Zuführen des Wassers zu einem Elektrolyseur, und das Zuführen von Wasserstoff aus dem Elektrolyseur zu mindestens einem Stickoxidreduktionskatalysator. Die Gewinnung von Wasser erfolgt dabei Vorzugsweise mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Das erfindungsgemäße Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder elektronischen Steuergerät ausgeführt wird. Es ermöglicht die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist das Computerprogramm insbesondere auf dem erfindungsgemäßen maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.
  • Wenn das erfindungsgemäße Computerprogramm auf einem elektronischen Steuergerät aufgespielt wird, wird das erfindungsgemäße elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um eine Stickoxidreduktion mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und werden in der folgenden Beschreibung näher erläutert.
  • 1 zeigt schematisch Komponenten eines Kraftfahrzeugs mit einer Vorrichtung zur Wassergewinnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2 zeigt schematisch Komponenten eines Kraftfahrzeugs mit einer Vorrichtung zur Wassergewinnung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • In einem Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung 30 zur Wassergewinnung aus einem Gas gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verbrennungsmotor 10 angeordnet, der sein Abgas in einen Abgasstrang 20 abgibt. Dies ist in 1 dargestellt. In dem Abgasstrang 20 sind in stromabwärts aufeinanderfolgender Reihenfolge ein Katalysator 21 zur Verringerung der Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidkonzentration des Abgases ein Rußfilter 22 und ein Stickoxidreduktionskatalysator 23 angeordnet. Der Katalysator 21 ist als Oxidationskatalysator oder als 3-Wege-Katalysator ausgeführt. Der Stickoxidreduktionskatalysator ist als NSC-Katalysator, als SCR-Katalysator oder als eine Kombination aus diesen beiden ausgeführt. Stromabwärts des Stickoxidreduktionskatalysators 23 zweigt von dem Abgasstrang 20 ein Bypass ab, welcher einen Teil des Abgases in die Vorrichtung 30 zur Wassergewinnung aus einem Gas hinein und anschließend aus dieser in den Abgasstrang 20 zurückleitet. Die Vorrichtung 30 zur Wassergewinnung umfasst einen Wärmetauscher 31, an welchem im Abgas enthaltenes Wasser zu einem Großteil kondensiert wird. Stromabwärts des Wärmetauschers 31 befindet sich in der Vorrichtung 30 zur Wassergewinnung ein Tropfenabscheider 32, der das kondensierte Wasser vom Abgasstrom trennt und aus dem Bypass hinaus ein erstes Ventil 33 leitet. Es gelangt in eine Pumpe 41, welche das Kondensat einer Umkehrosmoseeinheit 42 zuführt. Diese besteht vorliegend aus einem Bündel von Membranfilamenten in einer Kartusche. Mit Fremdionen und sonstigen Verunreinigungen aus dem Abgasstrang verunreinigtes Retentat der Umkehrosmose gegebenenfalls teilweise wird durch ein zweites Ventil 43 zusammen mit frischem Kondensat der Pumpe 41 zugeführt. Nicht erneut der Pumpe 41 zugeführtes Retentat wird ein drittes Ventil 44 verworfen. Das durch die Wände der Membranfilamente dringende hochreine Permeatwasser der Umkehrosmose wird dem Elektrolyseur 50 zugeführt. Hierin wird es einer Elektrolyse unterworfen, wobei an der Kathode 51 des Elektrolyseurs 50 Wasserstoff erzeugt wird, der unter einem Druck im Bereich von 0,5 bis 15 MPa einem Wasserstoffdrucktank 60 zugeführt wird. Durch ein Wasserstoffauslassventil 61 des Wasserstoffdrucktanks 60 kann dieser bedarfsgerecht dem Stickoxidreduktionskatalysator 23 zugeführt werden. Hierzu wird er im Abgasstrang stromaufwärts des katalytisch aktiven Materials des Stickoxidreduktionskatalysators 23 eingespeist. Wenn ein NSC-Katalysator als Stickoxidreduktionskatalysator 23 verwendet wird, erfolgt die Einspeisung von Wasserstoff bei gefülltem Speicher. Wird hingegen ein SCR-Katalysator als Stickoxidreduktionskatalysator 23 verwendet, so erfolgt eine Einspeisung in Abhängigkeit vom Stickoxidgehalt des Abgases und der Wasserstoffbeladung des SCR-Katalysators. An der Anode 52 des Elektrolyseurs erzeugter Sauerstoff wird in die Umgebungsluft entlassen.
  • In einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, deren Einbau in ein Kraftfahrzeugs schematisch in 2 dargestellt ist, wird der Elektrolyseur 50 an seiner Anode 52 hingegen ebenfalls unter Druck betrieben und der erzeugte Sauerstoff wird in einem Sauerstoffdrucktank 70 gespeichert. Von dort kann er durch Öffnen eines Sauerstoffentnahmeventils 71 dem Rußfilter 22 so zugeführt werden, dass er stromaufwärts der Filterelemente im Rußfilter 22 in den Abgasstrang 20 eingespeist wird. Diese Einspeisung erfolgt in dem Regenerationsbetrieb des Rußfilters, um die Oxidation des darin gesammelten Rußes zu Kohlendioxid zu unterstützen.
  • Sowohl im ersten Ausführungsbeispiel als auch im zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Vorrichtung 30 zur Wassergewinnung aus einem Gas alternativ oder zusätzlich zu der Verbindung zum Abgasstrang 20 des Kraftfahrzeugs eine Verbindung zu einer Klimaanlage (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeugs aufweisen, um der Pumpe 41 Wasser zuführen zu können, welches an einem Kondensator der Klimaanlage abgeschieden wird.

Claims (15)

  1. Vorrichtung (30) zur Wassergewinnung aus einem Gas, wobei die Vorrichtung (30) eingerichtet ist, um einem Elektrolyseur (50) Wasser zuzuführen und wobei der Elektrolyseur (50) eingerichtet ist, um mindestens einem Stickoxidreduktionskatalysator (23) Wasserstoff zuzuführen.
  2. Vorrichtung (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Stickoxidreduktionskatalysator (23) ein NSC-Katalysator und/oder ein SCR-Katalysator ist.
  3. Vorrichtung (30) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie so mit dem Abgasstrang (20) eines Verbrennungsmotors (10) verbunden ist, dass ihr Abgas des Verbrennungsmotors (10) zuführbar ist.
  4. Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie so mit einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs verbunden ist, dass sie Wasser aus einem Kondensator der Klimaanlage entnehmen kann.
  5. Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Umkehrosmoseeinheit (42) aufweist, die so angeordnet ist, dass Wasser, welches die Vorrichtung (30) verlässt, in der Umkehrosmoseeinheit (42) aufbereitet wird, bevor es dem Elektrolyseur (50) zugeführt wird.
  6. Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyseur (50) ein PEM-Elektrolyseur ist.
  7. Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Wasserstoffdrucktank (60) aufweist, der so angeordnet ist, dass Wasserstoff, der den Elektrolyseur (50) verlässt, in dem Wasserstoffdrucktank (60) zwischenspeicherbar ist, bevor er dem mindestens einen Stickoxidreduktionskatalysator (23) zugeführt wird.
  8. Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyseur (50) eingerichtet ist, um bei der Elektrolyse von Wasser erzeugten Sauerstoff in die Umgebungsluft zu entlassen.
  9. Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickoxidreduktionskatalysator (23) in einem Abgasstrang (20) angeordnet ist, wobei ein Rußfilter (22) in dem Abgasstrang angeordnet ist, wobei der Elektrolyseur (50) eingerichtet ist, um dem Rußfilter (22) Sauerstoff zuzuführen.
  10. Vorrichtung (30) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Sauerstoffdrucktank (70) aufweist, der so angeordnet ist, dass Sauerstoff, der den Elektrolyseur (50) verlässt, in dem Sauerstoffdrucktank (70) zwischenspeicherbar ist, bevor er dem Rußfilter (22) zugeführt wird.
  11. Verfahren zur Stickoxidreduktion, umfassend die folgenden Schritte: – Gewinnung von Wasser aus einem Gas, – Zuführen des Wassers zu einem Elektrolyseur (50), und – Zuführen von Wasserstoff aus dem Elektrolyseur (50) zu mindestens einem Stickoxidreduktionskatalysator (23).
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewinnung von Wasser mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 erfolgt.
  13. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach Anspruch 11 oder 12 durchzuführen.
  14. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist.
  15. Elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um eine Stickoxidreduktion mittels eines Verfahrens nach Anspruch 11 oder 12 durchzuführen.
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