DE102008053800A1

DE102008053800A1 - Abgasstrang für ein Brennstoffzellensystem sowie ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Austragen von in einem Abgasstrang eines Brennstoffzellensystems angesammelten Flüssigwassers

Info

Publication number: DE102008053800A1
Application number: DE102008053800A
Authority: DE
Inventors: Rui Qing Dipl.-Ing. Tong; Rolf Dipl.-Ing. Fischer (FH); Jürgen Dipl.-Ing. Juraschek (FH); Bernd Dipl.-Ing. Günther; Stefan Dr. Reiff
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2010-05-06

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasstrang (1) für ein Brennstoffzellensystem mit einem Leitungsteil (2), durch welches das Abgas leitbar ist, wobei ein Sammelbehälter (3) zum Sammeln des aus dem Abgas abgeschiedenen Flüssigwassers (4) vorgesehen ist, welcher im Bereich (7) des Abtransports des Flüssigwassers (4) aus dem Sammelbehälter (3) von dem Leitungsteil separiert ist, wobei der Sammelbehälter mit dem Leitungsteil (2) im Bereich des Abtransports des Flüssigwassers (4) mit zumindest einer Verbindungsleitung (16) verbunden ist und abhängig von von einem Betriebszustand des Brennstoffzellensystem abhängigen Drücken (p1, p2) in dem Leitungsteil (2) und dem Samelbehälter (3) das Flüssigwasser (4) über die Verbindungsleitung (16) aus dem Sammelbehälter (3) förderbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Austragen von einem Abgasstrang des Brennstoffzellensystems angesammelten Flüssigwasser (4).

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasstrang für ein Brennstoffzellensystem mit einem Leitungsteil, durch welches das Abgas ableitbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Abgasstrang. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Austragen von in einem Abgasstrang eines Brennstoffzellensystems angesammelten Flüssigwassers.
Brennstoffzellensysteme werden bei vielen Anwendungen, insbesondere mobilen Anwendungen, wie beispielsweise in einem Fahrzeug für den Antrieb oder sonstige Aggregate, als Energiequelle verwendet. Am weitesten verbreitet sind hier Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembranen (PEM), bei denen die Anode der Brennstoffzelle mit Wasserstoff als Brennstoff und die Kathode mit Sauerstoff bzw. Luft als Oxidationsmittel versorgt wird. Anode und Kathode sind durch eine protonendurchlässige, elektrisch nicht leitfähige Membran getrennt.
Bei der elektrochemischen Reaktion des Wasserstoffs und des Sauerstoffs zu Wasser wird elektrische Energie erzeugt, die durch Elektroden an Anode und Kathode abgegriffen wird. Mehrere einzelne elektrisch in Reihe geschaltete Brennstoffzellen werden zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst.
Die Membran kann sowohl durch befeuchteten Wasserstoff, durch befeuchteten Sauerstoff bzw. Luft, aber auch durch das in der Kathode entstehende Produktwasser aus der Sauerstoff-Wasserstoff-Reaktion befeuchtet werden. Ist zuviel Wasser in der Brennstoffzelle, insbesondere in der Kathode, so reduziert sich durch einen gestörten Gastransport die Leistung der Brennstoffzelle. Das aus der elektrochemischen Reaktion entstandene Wasser wird zusammen mit überschüssiger Luft aus der Kathode in Form von flüssigem Wasser oder Wasserdampf über eine Brennstoffzellenabgasleitung aus dem Brennstoffzellensystem ausgeleitet. Diese Abgasleitung ist üblicherweise einem Abgasstrang zugeordnet. Hierbei kann der Wasserdampf, beispielsweise in der Warmlaufphase oder bei tiefen Außentemperaturen, in der Abgasleitung kondensieren. Die Abgase der Anode, die einen wesentlich geringeren Wasseranteil aufweisen, werden ebenfalls durch den Abgasstrang aus dem Brennstoffzellensystem abgeführt.
Der Austritt von Wasser in flüssiger Form aus einem Brennstoffzellensystem ist allerdings aus verschiedenen Gründen unerwünscht, insbesondere bei einem Brennstoffzellensystem in den mobilen Anwendungen, da es hier aufwendiger ist, das austretende Wasser aufzufangen. Beispielsweise ist es bei der Verwendung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug unerwünscht, dass flüssiges Wasser auf die Fahrbahn gelangt und dort eventuell bei niedrigen Temperaturen gefriert und zu Glatteisbildung beiträgt.
Bei einem mit reinem Wasserstoff betriebenen Fahrzeug entsteht als Oxidationsprodukt Wasser, das sowohl in flüssigen als auch in gasförmigen Zustand an die Umgebung abgegeben wird. Beispielsweise kann der Austrag von Flüssigwasser aus dem Brennstoffzellensystem über den Abgasstrang dann erfolgen, wenn das Fahrzeug am Hang abgestellt ist. Ebenso kann dies dann auftreten, wenn sich das Brennstoffzellensystem im Leerlauf befindet. Auch dann, wenn das Fahrzeug beschleunigt wird, kann es zu einem schwallartigen Austritt von angesammelten Flüssigwasser aus dem Abgasstrang kommen. Die daraus resultierenden Probleme wurden bereits oben erwähnt.
Aus der DE 10 2005 029 536 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem das in einem Abgasstrang gesammelte Flüssigwasser zerstäubt wird, wobei diesbezüglich Ultraschallsensoren verwendet werden, welche im Abgasstrang angeordnet sind.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abgasstrang sowie ein Brennstoffzellensystem als auch ein Verfahren zum Austragen von in dem Abgasstrang angesammelten Flüssigwasser zu schaffen, bei dem der schwallartige Austritt von Flüssigwasser in relativ großen Mengen verhindert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Abgasstrang, welcher die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist, ein Brennstoffzellensystem, welches die Merkmale nach Anspruch 25 aufweist, und ein Verfahren, welches die Merkmale nach Anspruch 26 aufweist, gelöst.
Ein erfindungsgemäßer Abgasstrang für ein Brennstoffzellensystem umfasst ein Leitungsteil, durch welches das Abgas leitbar bzw. ableitbar ist. Der Abgasstrang umfasst darüber hinaus einen Sammelbehälter zum Sammeln des aus dem Abgas abgeschiedenen Flüssigwasser, welcher im Bereich des Abtransports des Flüssigwassers aus dem Sammelbehälter von dem Leitungsteil separiert ist. Der Sammelbehälter ist mit dem Leitungsteil in diesem Bereich des Abtransports des Flüssigwassers aus dem Sammelbehälter mit zumindest einer Verbindungsleitung verbunden.
Abhängig von von einem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems abhängigen Drücken in dem Leitungsteil und dem Sammelbehälter ist das Flüssigwasser über die Verbindungsleitung aus dem Sammelbehälter förderbar bzw. austragbar. Es wird somit durch eine spezifische mechanische Ausgestaltung des Abgasstrangs in einfacher und dennoch hochfunktioneller Weise so ermöglicht, dass der schwallartige Austritt in spezifischen Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems und somit auch eines Abgasstrangs, verhindert werden kann. In ganz spezifischer Weise werden die in den verschiedenen Betriebszuständen auftretenden Druckverhältnisse in dem Leitungsteil einerseits und dem Sammelbehälter andererseits dahingehend geschickt ausgenützt, dass der unerwünschte schwallartige Austritt des Flüssigwassers verhindert werden kann, andererseits jedoch automatisch das Flüssigwasser in entsprechender Dosierung abtransportiert werden kann.
Insbesondere kann somit vermieden werden, dass relativ viel angesammeltes Flüssigwasser unkontrolliert aus dem Abgasstrang austritt und somit insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen zu einer Glatteisbildung auf Fahrbahnen führt.
Vorzugsweise ist das Leitungsteil durch den Sammelbehälter geführt. Dies ermöglicht neben einer kompakten Ausgestaltung eine besonders geeignete Realisierung zur Einstellung der Druckverhältnisse.
Insbesondere ist der Sammelbehälter als zylinderförmiger Hohlkörper ausgebildet.
Bevorzugt bilden der Sammelbehälter und das Leitungsteil einen Resonator. In diesem Zusammenhang kann eine multifunktionelle Ausgestaltung dahingehend gewährleistet werden, dass zum einen das Sammeln von Flüssigwasser und der Austrag daraus gewährleistet werden kann, andererseits dass durch diesen Resonator auch eine unerwünschte Geräuschbildung reduziert werden kann. Gerade bei einer hohlzylinderförmigen Ausgestaltung des Sammelbehälters, welches eine rohrförmige Ausgestaltung ermöglicht, kann das Leitungsteil von diesem Sammelbehälter umlaufend umgeben sein, wodurch die Resonator-Ausgestaltung im Hinblick zur Schalldämpfung besonders vorteilhaft ermöglicht werden kann.
Das Leitungsteil umfasst in bevorzugter Weise ein sich im Sammelbehälter erstreckendes Teilstück, wobei die Verbindung des Sammelbehälters mit dem Teilstück über die Verbindungsleitung innerhalb des Sammelbehälters ausgebildet ist. Auch diesbezüglich lässt sich eine hochfunktionelle Ausgestaltung in kompakter und bauraumminimierter Weise realisieren.
Vorzugsweise weist das Leitungsteil ein sich im Sammelbehälter erstreckendes Teilstück auf, welches außerhalb des Bereichs zum Abtransport des Flüssigwassers aus dem Sammelbehälter eine Mehrzahl von durchgängigen Löchern aufweist. Durch diese Ausgestaltung kann einerseits die Druckeinstellung zwischen dem Innenraum des Leitungsteils und dem Innenraum des Sammelbehälters im Hinblick auf die automatische Austragung des Flüssigwassers ohne eine Schwallgenerierung verbessert werden und darüber hinaus das zuverlässige und automatische Ableiten des aus dem Abgas abgeschiedenen Flüssigwassers in den Sammelbehälter ermöglicht werden. Darüber hinaus trägt eine derartige Ausgestaltung mit Löchern auch positiv dazu bei, dass die Schallemission reduziert wird. Auch eine verbesserte Schalldämpfung kann dadurch gewährleistet werden.
Besonders bevorzugt erweist es sich, wenn die Löcher in diesem Teilstück des Leitungsteils mit unterschiedlichen Geometrien und/oder unterschiedlichen Ausmaßen und/oder unterschiedlichen Bohrungswinkeln ausgebildet sind. Eine situationsspezifische optimierte Realisierung im Hinblick auf die Funktionalität zur automatischen und schwalllosen Austragung des Flüssigwassers aus dem Sammelbehälter und zusätzlich einer verbesserten Schalleigenschaft kann dadurch eingestellt werden. Vorzugsweise weist das Leitungsteil ein sich im Sammelbehälter erstreckendes Teilstück auf, und im Zwischenraum zwischen dem Sammelbehälter und dem Teilstück sind eine Mehrzahl von Trennwänden angeordnet. Dadurch kann die Schalldämpfung mit derartigen insbesondere vertikal orientierten Trennwänden besonders positiv beeinflusst werden. Insbesondere kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass die Trennwände in Längsrichtung des Leitungsteils betrachtet mit unterschiedlichen Abständen zueinander angeordnet sind. Auch hier kann somit situationsspezifisch und bedarfsabhängig eine besonders geeignete Schalldämpfung realisiert werden.
Besonders bevorzugt erweist es sich wenn die zumindest eine Verbindungsleitung zwischen dem Leitungsteil und dem Sammelbehälter als Steigrohr ausgebildet ist. Dadurch kann die Funktionalität der automatischen Austragung des gesammelten Flüssigwassers im Sammelbehälter bei sich einstellenden spezifischen Druckverhältnissen besonders effektiv und effizient erfolgen.
Vorzugsweise ist der Bereich des Abtransports des Flüssigwassers aus dem Sammelbehälter an einem in die Umgebung mündenden Endstück des Leitungsteils zugewandten Ende des Sammelbehälters ausgebildet. Gerade diese spezifische Positionierung ermöglicht es, dass das ausgetragene Flüssigwasser unverzüglich in die Umgebung abgeleitet werden kann und nicht noch relativ weite Wege im Leitungsteil zu absolvieren hat. Eine unerwünschte weitere Ansammlung im Leitungsteil des ausgetragenen Flüssigwassers kann dadurch verhindert werden. Darüber hinaus kann durch eine derartige Ausgestaltung in bevorzugter Weise erreicht werden, dass das Flüssigwasser nach dem Austrag aus dem Sammelbehälter quasi automatisch in die Umgebung abgeleitet wird, falls das Endstück des Leitungsteils in bevorzugter Weise eine entsprechende Formgebung aufweist, welche das selbständige Ableiten aus dem Endstück gewährleistet.
Vorzugsweise weist die Verbindungsleitung ein gewinkeltes Rohrstück auf, welches sich mit einem ersten Abschnitt im Wesentlichen vertikal erstreckt und sich mit einem zweiten Abschnitt im Wesentlichen horizontal erstreckt. Auch durch diese spezifische Formgebung der Verbindungsleitung kann das Austragen positiv unterstützt werden und darüber hinaus das unerwünschte schwallartige Austreten von Flüssigwasser verhindert werden.
Insbesondere erstreckt sich der horizontal orientierte Abschnitt der Verbindungsleitung in das Endstück des Leitungsteils hinein. Auch dadurch kann das Ableiten des aus dem Sammelbehälter ausgetragenen Flüssigwassers in die Umgebung positiv unterstützt werden.
Vorzugsweise ist im Inneren des Leitungsteils ein Strömungswiderstandselement für einen Abgasstrom angeordnet. Dies ist eine besonders bevorzugte Ausgestaltung im Hinblick auf die Einstellung der Druckverhältnisse im Inneren des Leitungsteils und im Inneren des Sammelbehälters, wodurch dadurch besonders effektiv betriebsphasenspezifisch das einerseits erwünschte und andererseits nicht erwünschte Austragen von Flüssigwasser aus dem Sammelbehälter erreicht werden kann.
Insbesondere ist das Strömungswiderstandselement in Strömungsrichtung des Abgases vor der Verbindungsleitung angeordnet. Die Erzeugung der Druckverhältnisse kann dadurch sehr genau und auch sehr ortsspezifisch ermöglicht werden.
Insbesondere ist das Strömungswiderstandselement so ausgebildet, dass der Abgasstrom betriebsphasenabhängig so leitbar ist, dass im Bereich des Abtransports des Flüssigwassers aus dem Sammelbehälter betriebsphasenabhängig verschiedene Druckverhältnisse zwischen dem Leitungsteilinneren und dem Sammelbehälterinneren so einstellbar sind, dass betriebsphasenabhängig das Flüssigwasser automatisch über die Verbindungsleitung aus dem Sammelbehälter förderbar ist.
Insbesondere ist das Strömungswiderstandselement so ausgebildet, dass der Abgasstrom im Lastfall des Brennstoffzellensystems so leitbar ist, dass im Bereich des Abtransports des Flüssigwassers aus dem Sammelbehälter in dem Leitungsteil in Strömungsrichtung nach dem Strömungswiderstandselement ein kleiner Druck erzeugbar ist, als sich dieser im Sammelbehälter im Bereich des Abtransports des Flüssigwassers aus dem Sammelbehälter einstellt, und der Abtransport des Flüssigwassers aus dem Sammelbehälter dann erfolgt bzw. freigegeben ist.
Vorzugsweise ist das Strömungswiderstandselement so ausgebildet, dass der Abgasstrom im Leerlauffall des Brennstoffzellensystems so leitbar ist, dass im Bereich des Abtransports des Flüssigwassers aus dem Sammelbehälter in dem Leitungsteil in Strömungsrichtung nach dem Strömungswiderstandselement ein Druck erzeugbar ist, welcher im Wesentlichen dem Druck entspricht, welcher sich im Leerlauffall im Sammelbehälter im Bereich des Abtransports des Flüssigwassers aus dem Sammelbehälter einstellt und der Abtransport des Flüssigwassers aus dem Sammelbehälter unterbunden ist.
Besonders bevorzugt erweist es sich, wenn das Strömungswiderstandselement den Abgasstrom durchlassende Öffnungen aufweist. Die Druckverhältniseinstellung wird dadurch nochmals positiv begünstigt.
Es kann vorgesehen sein, dass das Strömungswiderstandselement kegelförmig ausgebildet ist. In diesem Zusammenhang kann das Strömungswiderstandselement ein Gegenstand sein, welcher beispielsweise als spitzer, mit Bohrungen oder Aussparungen versehener Kegel ist. Auch hier können die Öffnungen mit Steigungswinkeln und Bohrungswinkeln unterschiedlich ausgebildet sein, wobei dann abhängig vom Innendurchmesser des Leitungsteils und der Positionierung im Sammelbehälter eine entsprechende Ausgestaltung der Steigungswinkel und der Bohrungswinkel erfolgen kann.
Es kann auch vorgesehen sein, dass das Strömungswiderstandselement ein abgerundeter, mit Bohrungen und Aussparungen versehener Kegel ist, welcher dann beispielsweise als Teil einer Eiform ausgebildet ist. Das Strömungswiderstandselement kann auch als Drahtgeflecht oder als Leitblech ausgebildet sein. Ebenso ist es möglich, dass das Strömungswiderstandselement als Lüfterrad oder Drallrad insbesondere als feststehendes Lüfterrad ausgebildet ist.
Insbesondere erweist das Leitungsteil ein in die Umgebung mündendes Endstück auf, in welchem zumindest ein siebartiges Element angeordnet ist. Durch dieses weitere Element kann das aus dem Sammelbehälter ausgetragene und dann in die Umgebung ausströmende Flüssigwasser zerstäubt werden.
Dieses siebartige Element kann unterschiedliche Formgebungen aufweisen und beispielsweise als plane Platte realisiert sein. Es kann jedoch auch eine Krümmung realisiert sein, welche sowohl konkav als auch konvex realisiert sein kann.
Besonders bevorzugt erweist es sich, wenn dieses siebartige Elemente frostschutzsicher bzw. einfriersicher ausgebildet ist. In diesem Zusammenhang kann zur Vermeidung eines Zufrierens dieses siebartigen Elements vorgesehen sein, dass dieses aus Beschichtungen, insbesondere Nano-Beschichtungen ausgebildet ist. Ebenso kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass dieses siebartige Element temperaturbeaufschlagbar ist und insbesondere heizbar ist. Dazu kann beispielsweise ein Heizwiderstand vorgesehen sein, welcher an oder in das Element angebracht bzw. eingebracht ist. Durch einen derartigen Heizwiderstand kann das siebartige Element geheizt werden und das vorbeiströmende Flüssigwasser kann erwärmt werden, wodurch ein Einfrieren verhindert werden kann. Ebenso kann vorgesehen sein, dass dieses siebartige Element aus einer Mehrzahl von Teilelementen aufgebaut ist, welche ebenfalls wiederum siebartig ausgebildet sind. Bei einer diesbezüglichen Ausgestaltung ist es möglich, dass die einzelnen Teilelemente mit größeren Maschenweiten realisiert sind, wobei in diesem Zusammenhang dann Maschenweiten größer 4 mm vorgesehen sein können. Diese Teilelemente können dann in versetzter Anordnung zueinander angeordnet werden, wodurch wieder ein relativ feinmaschiges siebartiges System realisiert werden kann.
Der Abgasstrang kann auch mehrere Verbindungsleitungen zwischen dem Sammelbehälter und dem Leitungsteil aufweisen, welche alle gleich ausgebildet sind oder auch unterschiedliche Ausgestaltung aufweisen können. In diesem Zusammenhang können die Verbindungsleitungen unterschiedliche Geometrien und/oder unterschiedliche Dimensionierungen, beispielsweise unterschiedliche Durchmesser und/oder unterschiedliche Höhen, aufweisen.
Durch die Verbindungsleitung und ihre spezifische Anordnung kann das im Resonator-Reservoir, dem Sammelbehälter, befindliche Flüssigwasser in einem mehrstufigen Verfahren zerstäubend ausgetragen werden. Die optimale Funktionsweise der angebrachten Verbindungsleitung und deren Wasseraustragskapazität wird vorzugsweise durch das Strömungswiderstandselement im Inneren des Leitungsteils derart positiv unterstützt, dass der Abluftstrahl so abgeleitet wird, dass dieser im Resonator im Bereich der Wasseransaugung der Verbindungsleitung einen Überdruck erzeugt und in Strömungsrichtung des Abgases in dem Leitungsteil nach diesem Strömungswiderstandselement einen Unterdruck erzeugt. Im Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems stellen sich in diesem Zusammenhang gleiche Druckverhältnisse ein, so dass über die Verbindungsleitung kein Wasseraustrag erfolgt. In Abhängigkeit des dynamischen Abluftstroms stellen sich bei Lastanforderungen des Brennstoffzellensystems, insbesondere im Volllastbetrieb, Druckdifferenzen ein, insbesondere maximale Druckdifferenzen im Volllastbetrieb, wodurch sich aufgrund physikalischer Bedingungen ein Austrag des Flüssigwassers aus dem Sammelbehälter über die Verbindungsleitung realisieren lässt, welcher jedoch keinen schwallartigen Austrag darstellt.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem umfasst einen erfindungsgemäßen Abgasstrang oder eine vorteilhafte Ausgestaltung davon. Das Brennstoffzellensystem ist insbesondere als mobiles Brennstoffzellensystem ausgebildet und in einem Fahrzeug angeordnet. Es umfasst bevorzugter Weise einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, welche vorzugsweise als PEM-Brennstoffzellen realisiert sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Austragen von in einem Abgasstrang eines Brennstoffzellensystems angesammelten Flüssigwassers wird das aus einem Abgasstrom, welcher durch ein Leitungsteil des Abgasstroms strömt, abgeschiedenes Flüssigwasser in einem Sammelbehälter gesammelt und über eine an einem den Sammelbehälter und das Leitungsteil separierenden Bereich zum Abtransport des Flüssigwassers aus dem Sammelbehälter ausgebildete und den Sammelbehälter mit dem Leitungsteil verbindende Verbindungsleitung ausgetragen. Das Austragen des gesammelten Flüssigwasser über die Verbindungsleitung wird abhängig von sich aufgrund von spezifischen Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems spezifisch einstellenden Druckverhältnissen im Sammelbehälter einerseits und dem Leitungsteil andererseits durchgeführt. Insbesondere wird dies automatisch erfolgen. Durch diese Vorgehensweise kann der schwallartige Austritt von angesammelten Flüssigwasser im Sammelbehälter verhindert werden, wodurch in vorteilhafter Weise auch verhindert werden kann, dass in spezifischen Betriebsphasen eine relativ große Menge von Flüssigwasser austritt. Dadurch kann auch eine unerwünschte Glatteisbildung auf der Fahrbahn bei tiefen Umgebungstemperaturen vermieden oder zumindest deutlich reduziert werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasstrangs in einer ersten Betriebsphase;
2 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasstrangs in einer zweiten Betriebsphase; und
3 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasstrangs in einer dritten Betriebsphase.
In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist in einer schematischen seitlichen Aufrissdarstellung ein Abgasstrang 1 gezeigt, welcher einem Brennstoffzellensystem zugeordnet ist. Das Brennstoffzellensystem ist ein mobiles Brennstoffzellensystem, welches in einem Fahrzeug angeordnet ist.
Über den Abgasstrang 1 werden die von dem Brennstoffzellensystem in Betrieb erzeugten Abgase in einem Abgasstrom I abgeleitet, und insbesondere in die Umgebung abgeleitet. Wie bereits oben erwähnt, entsteht bei der elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff in dem Brennstoffzellensystem Wasser, welches im Abgasstrom I enthalten ist. In diesem Zusammenhang bildet sich auch Flüssigwasser 4, welches aus dem Abgasstrom I aufgrund der Umgebungsbedingungen im Abgasstrang 1 abgeschieden wird. Der Abgasstrang 1 umfasst ein rohrförmiges Leitungsteil 2 und einen Sammelbehälter 3. Der Sammelbehälter 3 ist als zylinderförmiger Hohlkörper ausgebildet, welcher ein Teilstück 5 des Leitungsteils 2 umlaufend umgibt. Das Leitungsteil 2 erstreckt sich somit durch den Sammelbehälter 3 hindurch, wobei ein Endstück 6 des Leitungsteils 2 gekrümmt ausgebildet ist und mit seiner Krümmung beispielsweise in Richtung einer Fahrbahn nach unten orientiert ist. Darüber hinaus weist das Endstück 6 auf der dem Sammelbehälter 3 abgewandten Seite eine Öffnung auf, aus der das aus dem Sammelbehälter 3 ausgetragene Flüssigwasser 4 dosiert auslaufen kann.
Gemäß der Darstellung in 1 wird das aus dem Abgasstrom I abgeschiedene Flüssigwasser 4 in dem Sammelbehälter 3 gesammelt, wobei in diesem Zusammenhang das Teilstück 5 bereichsweise eine Mehrzahl von Löchern 8 aufweist. Das Teilstück 5 ist somit quasi perforiert ausgebildet, wobei es in einem Bereich 7, welcher zum Abtransport des Flüssigwassers 4 aus dem Sammelbehälter 3 vorgesehen ist, keine derartigen Löcher 8 aufweist. In diesem Bereich 7 ist das Leitungsteil 2, insbesondere das Teilstück 5, von dem Sammelbehälter 3 quasi separiert. Die Wand des Teilstücks 5 bildet in diesem Bereich 7 eine vollständige Trennung von dem Inneren des Sammelbehälters 3.
Vorzugsweise weisen die Löcher 8 unterschiedliche Geometrien und/oder unterschiedliche Ausmaße und/oder unterschiedliche Bohrungswinkel auf. Das Leitungsteil 2, insbesondere das Teilstück 5, und der Sammelbehälter 3 sind so dimensioniert, dass im ineinander geführten Bereich ein Zwischenraum 9 ausgebildet ist, so dass das Gesamtsystem zwischen dem Leitungsteil 2 und dem Sammelbehälter 3 einen Resonator bildet, welcher auch zur Schalldämpfung funktionell ausgebildet ist. Zur Verbesserung dieser Schalldämpfung sind zusätzlich Trennwände 10, 11, 12 und 13 in diesem Zwischenraum 9 ausgebildet, welche sich im Ausführungsbeispiel vollständig von der Außenseite des Teilstücks 5 bis zur Innenseite des Sammelbehälters 3 erstrecken. Darüber hinaus sind die Trennwände 10 bis 13 in Längsrichtung des Leitungsteils 2 und somit in x-Richtung mit unterschiedlichen Abständen angeordnet, wodurch die Schalldämpfung nochmals verbessert werden kann.
Der Sammelbehälter 3 weist ein erstes Ende 14 und ein zweites Ende 15 auf. Der Bereich 7 ist gemäß der Darstellung im Ausführungsbeispiel benachbart und nahe zum Ende 15 bzw. anschließend an das Ende 15 ausgebildet. An diesen Bereich 7 ist eine Verbindungsleitung 16 angeordnet, welche als Steighülse bzw. Steigrohr oder Steigleitung ausgebildet ist. Diese Verbindungsleitung 16 verbindet den Sammelbehälter 3 mit dem Leitungsteil 2, insbesondere dem Teilstück 5. Die Verbindungsleitung 16 umfasst ein vertikales Teilstück 17 und ein daran anschließendes horizontales Teilstück 18. Das horizontale Teilstück 18 erstreckt sich in das Endstück 6 des Leitungsteils 2, wobei der überwiegende Teil der Verbindungsleitung 16 innerhalb des Sammelbehälters 3 angeordnet ist.
Die Orientierung des horizontalen Teils 18 im Endstück 6 ist so angeordnet, dass das über die Verbindungsleitung 16 aus dem Sammelbehälter 3 ausgetragene Flüssigwasser 4 direkt in das Endstück 6 einlaufen kann und durch die Krümmung des Endstücks 6 quasi automatisch aus diesem Endstück 6 auslaufen kann.
Darüber hinaus umfasst der Abgasstrang 1 ein Strömungswiderstandselement 19, welches im Inneren des Leitungsteils 2 und insbesondere im Inneren des Teilstücks 5 angeordnet ist. Bevorzugter Weise ist das Strömungswiderstandselement 19 in Richtung der Strömung des Abgasstroms I im Bereich 7 angeordnet und dort insbesondere vor der Verbindungsleitung 16. Im Ausführungsbeispiel ist das Strömungswiderstandselement 19 kegelförmig konzipiert und weist eine Mehrzahl von durchgängigen Löchern 20 auf.
Der Sammelbehälter 3 ist an seinen Enden 14 und 15 geschlossen.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist lediglich eine Verbindungsleitung 16 gezeigt, selbstverständlich können dort jedoch auch eine Mehrzahl von derartigen Verbindungsleitungen 16 angeordnet sein, welche gleich ausgebildet sein können oder aber auch unterschiedlich im Hinblick auf die Geometrie und/oder Ausmaße und/oder Orientierung. Über diese Verbindungsleitung 16 kann in einem mehrstufigen Verfahren das Flüssigwasser 4 zerstäubend ausgetragen werden.
Durch die Ausgestaltung des Abgasstrangs 1, insbesondere der Anordnung der Komponenten des Teilstücks 5 des Sammelbehälters 3, der Verbindungsleitung 16 und des Strömungswiderstandselements 19 kann erreicht werden, dass abhängig von spezifischen Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems spezifische Druckverhältnisse zwischen den Drücke p1 und p2 im Bereich 7 im Sammelbehälter 3 und im Teilstück 5 des Leitungsteils 2 erzeugt werden, so dass abhängig von diesen Druckverhältnissen ein betriebsphasenspezifisches Austragen des Flüssigwassers 4 aus der Verbindungsleitung 16 erfolgt oder eben dies gerade verhindert wird. Durch diese Konzeptionierung kann ein unerwünschter Austrag von Flüssigwasser 4 verhindert werden und darüber hinaus auch gewährleistet werden, dass das Flüssigwasser 4 nicht schwallartig ausgetragen wird.
Vorzugsweise ist das Strömungswiderstandselement 19 im Teilstück 5 so positioniert, dass der Abgasstrom I so abgeleitet bzw. umgelenkt wird, dass dieser im Resonator im Bereich der Wasseransaugung der Verbindungsleitung 16 einen Überdruck p1 erzeugt und in Strömungsrichtung hinter dem Strömungswiderstandselement 19 im Teilstück 5 ein Unterdruck p2 erzeugt wird. Dies stellt sich insbesondere automatisch in Betriebszuständen ein, bei denen das Brennstoffzellensystem im Lastfalle, insbesondere in Volllast betrieben wird. In Abhängigkeit des dynamischen Abluftstroms I stellt sich gerade bei Volllast, des Brennstoffzellensystems die maximale Druckdifferenz ein, bei der der Druck p1 wesentlich größer ist als der Druck p2, wodurch ein maximaler Wasseraustrag über die Verbindungsleitung 16 erreicht werden kann, welcher jedoch nicht schwallartig erfolgt.
Wie in der 1 dargestellt ist, ist im Bereich der Öffnung des Endstücks 6 und somit an dem dem Sammelbehälter 3 abgewandten Ende ein siebartiges Element 21 angeordnet, mit welchem erreicht werden kann, dass das ausströmende Flüssigwasser 4 zerstäubt ausgetragen wird. Die Form des Siebes ist lediglich beispielhaft und symbolisch dargestellt, und kann plan, konkav oder konvex sein. Zur Vermeidung eines Zufrierens des Elements 21 kann dieses aus Nanobeschichtungen bestehen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das Element 21 heizbar ist, wobei diesbezüglich beispielsweise ein Heizwiderstand eingebaut sein kann, der dafür sorgt, dass das siebartige Element 21 und das ausströmende Flüssigwasser 4 erwärmt werden. Es ist auch möglich, eine Kombination von mehreren derartigen Elementen 21 anzuordnen, welche jeweils dann mit einer größeren Maschenweite, beispielsweise größer 4 mm ausgebildet werden können. Durch eine versetzte Anordnung der Mehrzahl der Elemente 21 kann in diesem Zusammenhang wieder ein relativ engmaschiges System zur Zerstäubung des ausgetragenen Flüssigwassers 4 erreicht werden.
Gemäß der Darstellung ist die Verbindungsleitung 16 so angeordnet, dass die Verbindung zwischen dem Leitungsteil 2 und dem Sammelbehälter 3 innerhalb des ineinander geführten Bereichs dieser beiden Teile 2 und 3 realisiert ist.
In 2 ist ein Betriebszustand gezeigt, bei dem sich das Brennstoffzellensystem im Leerlauf befindet. Der Abgasstrom I ist in dieser Betriebsphase so ausgebildet und mit einer Strömungsgeschwindigkeit realisiert, dass ein Teil II durch das Strömungswiderstandslement 19 abgelenkt wird und ein weiterer Teil durch die Löcher 20 des Strömungswiderstandselements 19 hindurch tritt. In diese Leerlaufphase des Brennstoffzellensystems stellt sich dann ein Druckverhältnis ein, bei dem die Drücke p1 und p2 im Wesentlichen gleich groß sind. Aufgrund dieser Druckverhältniseinstellung kann im Leerlauffall erreicht werden, dass ein Wasseraustrag aus dem Sammelbehälter 3 über die Verbindungsleitung 16 nicht stattfindet. Da die Leerlaufphase des Brennstoffzellensystems in überwiegender Weise bei Stillstand des Fahrzeugs auftritt, kann dadurch gemäß der Darstellung in 2 erreicht werden, dass gerade dann kein schwallartiger Austrag des Flüssigwassers 4 erfolgt und somit eine Fahrbahn nicht mit relativ viel Wasser benetzt wird, wodurch auch bei relativ tiefen Temperaturen verhindert werden kann, dass eine derartig große Flüssigwassermenge austritt und auf der Fahrbahn gefriert.
Demgegenüber ist gemäß der Darstellung in 3 ein Betriebszustand des Brennstoffzellensystems gezeigt, welcher den Volllastbetrieb zeigt. Bei dieser Betriebsphase wird der Abgasstrom I nahezu vollständig gemäß der Darstellung in 3 abgelenkt, und der Teilstrom III am Strömungswiderstandselement 19 abgelenkt und tritt über die Löcher 8 im Teilstück 5 in den Sammelbehälter 3 ein. Im Lastfalle des Brennstoffzellensystems stellt sich somit ein Druckverhältnis ein, bei dem der Druck p1 wesentlich größer ist als der Druck p2. Aufgrund dieser Druckverhältnisse und der physikalischen Gegebenheiten wird somit ein automatischer Austrag von Flüssigwasser 4 aus dem Sammelbehälter 3 über die Verbindungsleitung 16 in das Leitungsteil 2 erreicht. Da der Volllastbetrieb üblicherweise bei sich bewegendem Fahrzeug und insbesondere bei beschleunigendem Fahrzeug auftritt, kann gerade in diesen spezifischen Betriebsphasen eine geeignete Austragung des Flüssigwassers 4 ermöglicht werden, wobei auch in diesem Zusammenhang ein schwallartiger Austritt verhindert wird und eine Austragung durchgeführt wird, welche auch hier die Fahrbahn lokal nicht unnötig mit großer Flüssigwassermenge benetzt.
Es wird somit betriebsphasenabhängig automatisch ein derartiges Druckverhältnis zwischen den Drücken p1 und p2 eingestellt, das genau bei den Betriebsphasen, bei denen ein Austrag des Flüssigwassers 4 vorteilhaft und auch gewünscht ist, dosiert ermöglicht wird, und das in den Betriebsphasen, in denen gerade kein Flüssigwasser austritt oder kein schwallartiger Flüssigwasseraustritt erwünscht ist, dieser auch verhindert wird.
Die Druckdifferenz zwischen den Drücken p1 und p2 und somit die Wirkungsweise der Verbindungsleitung 16 vergrößert sich in Abhängigkeit des Abluftstroms I bzw. in Abhängigkeit der Lastanforderung und somit des Betriebszustands des Brennstoffzellensystems.
Da der Flüssigkeitsstand im Resonator und insbesondere im Sammelbehälter 3 spezifisch vermindert werden kann, wird die Funktion des Resonators zur Schalldämpfung positiv unterstützt. Ebenfalls wirkt die Ableitung des Abluftstroms I am Strömungswiderstandselement 19 positiv auf das Geräuschverhalten ein.

1: Abgasstrang
2: Leitungsteil
3: Sammelbehälter
4: Flüssigwasser
5: Teilstück
6: Endstück
7: Bereich
8: Löcher
9: Zwischenraum
10, 11, 12, 13: Trennwände
14, 15: Ende
16: Verbindungsleitung
17: Vertikales Teilstück
18: Horizontales Teilstück
19: Strömungswiderstandselement
20: Löcher
21: Element
I: Abgasstrom
P1, p2: Drücke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005029536 A1 [0007]

Claims

Abgasstrang für ein Brennstoffzellensystem mit einem Leitungsteil (2), durch welches das Abgas leitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sammelbehälter (3) zum Sammeln des aus dem Abgas abgeschiedenen Flüssigwassers (4) vorgesehen ist, welcher im Bereich des Abtransports des Flüssigwassers (4) aus dem Sammelbehälter (3) von dem Leitungsteil (2) separiert ist, wobei der Sammelbehälter (3) mit dem Leitungsteil (2) im Bereich des Abtransports des Flüssigwassers (4) mit zumindest einer Verbindungsleitung (16) verbunden ist und abhängig von von einem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems abhängigen Drücken (p1, p2) in dem Leitungsteil (2) und dem Sammelbehälter (3) das Flüssigwasser (4) über die Verbindungsleitung (16) aus dem Sammelbehälter (3) förderbar ist.
Abgasstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungsteil (2) durch den Sammelbehälter (3) geführt ist.
Abgasstrang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelbehälter (3) ein zylinderförmiger Hohlkörper ist.
Abgasstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelbehälter (3) und das Leitungsteil (2) einen Resonator bilden.
Abgasstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungsteil (2) ein sich im Sammelbehälter (3) erstreckendes Teilstück (5) aufweist, wobei die Verbindung des Sammelbehälters (3) mit dem Teilstück (5) über die Verbindungsleitung (16) innerhalb des Sammelbehälters (3) ausgebildet ist.
Abgasstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungsteil (2) ein sich im Sammelbehälter (3) erstreckendes Teilstück (5) aufweist, welches außerhalb des Bereichs zum Abtransport des Flüssigwassers (4) aus dem Sammelbehälter (3) eine Mehrzahl von durchgängigen Löchern (8) aufweist.
Abgasstrang nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (8) unterschiedliche Geometrien und/oder Ausmaße und/oder Bohrungswinkel aufweisen.
Abgasstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungsteil (2) ein sich im Sammelbehälter (3) erstreckendes Teilstück (5) aufweist, und im Zwischenraum (9) zwischen dem Sammelbehälter (3) und dem Teilstück (5) Trennwände (10, 11, 12, 13) angeordnet sind.
Abgasstrang nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwände (10, 11, 12, 13) in Längsrichtung des Leitungsteils (2) betrachtet mit unterschiedlichen Abständen zueinander angeordnet sind.
Abgasstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Verbindungsleitung (16) als Steigrohr angeordnet ist.
Abgasstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich des Abtransports des Flüssigwassers (4) aus dem Sammelbehälter (3) an dem einem in die Umgebung mündenden Endstück (6) des Leitungsteils (2) zugewandten Ende des Sammelbehälters (3) ausgebildet ist.
Abgasstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (16) ein gewinkeltes Rohrstück ist, welches sich mit einem ersten Abschnitt (17) im Wesentlichen vertikal erstreckt und sich mit einem zweiten Abschnitt (18) im wesentlichen horizontal erstreckt.
Abgasstrang nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass der horizontal orientierte Abschnitt (18) sich in das Endstück (6) des Leitungsteils (2) erstreckt.
Abgasstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Leitungsteils (2) ein Strömungswiderstandselement (19) für den Abgasstrom (I) angeordnet ist.
Abgasstrang nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungswiderstandselement (19) in Strömungsrichtung des Abgases vor der Verbindungsleitung (16) angeordnet ist.
Abgasstrang nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungswiderstandselement (19) so ausgebildet ist, dass der Abgasstrom (I) betriebsphasenabhängig so leitbar ist, dass im Bereich (7) des Abtransports des Flüssigwassers (4) aus dem Sammelbehälter (3) betriebsphasenabhängig verschiedene Druckverhältnisse zwischen dem Leitungsteilinneren und dem Sammelbehälterinneren so einstellbar sind, dass betriebsphasenabhängig das Flüssigwasser (4) automatisch über die Verbindungsleitung (16) aus dem Sammelbehälter (3) förderbar ist.
Abgasstrang nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungswiderstandselement (19) so ausgebildet ist, dass der Abgasstrom (I) im Lastfall des Brennstoffzellensystems so leitbar ist, dass im Bereich (7) des Abtransports des Flüssigwassers (4) aus dem Sammelbehälter (3) in dem Leitungsteil (2) in Strömungsrichtung nach dem Strömungswiderstandselement (19) ein kleinerer Druck (p2) erzeugbar ist, als sich dieser im Sammelbehälter (3) im Bereich des Abtransports des Flüssigwassers (4) aus dem Sammelbehälter (3) einstellt und der Abtransport des Flüssigwassers (4) aus dem Sammelbehälter (3) erfolgt.
Abgasstrang nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungswiderstandselement (19) so ausgebildet ist, dass der Abgasstrom (I) im Leerlauffall des Brennstoffzellensystems so leitbar ist, dass im Bereich (7) des Abtransports des Flüssigwassers (4) aus dem Sammelbehälter (3) in dem Leitungsteil (2) in Strömungsrichtung nach dem Strömungswiderstandselement (19) ein Druck (p2) erzeugbar ist, welcher im Wesentlichen dem Druck (p1) entspricht, welcher sich im Leerlauffall im Sammelbehälter (3) im Bereich des Abtransports des Flüssigwassers (4) aus dem Sammelbehälter (3) einstellt und der Abtransport des Flüssigwassers (4) aus dem Sammelbehälter (3) unterbunden ist.
Abgasstrang nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungswiderstandselement (19) den Abgasstrom (I) durchlassende Öffnungen (20) aufweist.
Abgasstrang nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungswiderstandselement (19) kegelförmig ausgebildet ist.
Abgasstrang nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungswiderstandselement (19) als Drahtgeflecht ausgebildet ist.
Abgasstrang nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungswiderstandselement (19) als feststehendes Lüfterrad ausgebildet ist.
Abgasstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungsteil (2) ein in die Umgebung mündendes Endstück (6) aufweist, in welchem zumindest ein siebartiges Element (21) angeordnet ist.
Abgasstrang nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das siebartige Element (21) Einfrierschutzsicher ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem mit einem Abgasstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Austragen von in einem Abgasstrang (1) eines Brennstoffzellensystems angesammelten Flüssigwasser (4), bei welchem das aus einem Abgasstrom, welcher durch ein Leitungsteil (2) des Abgasstrangs strömt, abgeschiedene Flüssigwasser (4) in einem Sammelbehälter (3) gesammelt wird und über eine an einem den Sammelbehälter (3) und das Leitungsteil (2) separierenden Bereich (7) zum Abtransport des Flüssigwassers (4) aus dem Sammelbehälter (3) ausgebildete und den Sammelbehälter (3) mit dem Leitungsteil (2) verbindende Verbindungsleitung (16) ausgetragen wird, wobei das Austragen des gesammelten Flüssigwassers (4) über die Verbindungsleitung (16) abhängig von sich aufgrund von spezifischen Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems spezifisch einstellenden Druckverhältnissen (p1, p2) im Sammelbehälter (3) und dem Leitungsteil (2) erfolgt.