DE102008060533A1 - Liquid separator for a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Ein Flüssigkeitsabscheider (42, 44, 46) für ein Brennstoffzellensystem umfasst einen Sammelbehälter (48), der einen Gaseinlass (62), einen Gasauslass (64) und einen Wasserauslass (66) aufweist, eine Wasserablaufleitung (52), die mit dem Wasserauslass (66) verbunden ist, und ein Ablassventil (54), das in der Wasserablaufleitung (52) angeordnet ist. Um eine schnelle Funktionsfähigkeit des Flüssigkeitsabscheiders (42, 44, 46) bei einem Gefrierstart zu gewährleisten, ist in dem Sammelbehälter (48) wenigstens ein beheizbares Strukturelement (70) derart angeordnet und ausgebildet, dass es beim Beheizen in einem Eisblock (68) in dem Sammelbehälter (48) wenigstens einen mit dem Wasserauslass (66) verbundenen Kanal erzeugt.A liquid separator (42, 44, 46) for a fuel cell system comprises a sump (48) having a gas inlet (62), a gas outlet (64) and a water outlet (66), a water drain line (52) connected to the water outlet (46). 66) and a drain valve (54) disposed in the water drain line (52). In order to ensure fast functioning of the liquid separator (42, 44, 46) during a freeze start, at least one heatable structural element (70) is arranged and formed in the collecting container (48) in such a way that it is heated in an ice block (68) in the Sump (48) generates at least one connected to the water outlet (66) channel.
Description
Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsabscheider, insbesondere einen Flüssigkeitsabscheider für ein Brennstoffzellensystem, sowie ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem derartigen Flüssigkeitsabscheider.The The invention relates to a liquid separator, in particular a liquid separator for a fuel cell system, and a fuel cell system with at least one such Liquid separator.
Unter einer Brennstoffzelle wird sowohl eine einzelne Brennstoffzelle (kurz: Einzelzelle) als auch eine Hintereinanderschaltung von zwei oder mehr Einzelzellen zu einem Brennstoffzellenstapel (kurz: Stack) verstanden.Under A fuel cell becomes both a single fuel cell (in short: single cell) as well as a series connection of two or more single cells to a fuel cell stack (short: Stack) Understood.
Üblicherweise wird in einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie anodeneingangsseitig Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas als Brennstoff und kathodenseitig Sauerstoff oder ein sauerstoffreiches Gas wie zum Beispiel Umgebungsluft als Oxidationsmittel zugeführt. Die Elektroden der Brennstoffzelle sind durch eine Ionenaustauschmembran (z. B. Polymer-Elektrolyt-Membran) voneinander getrennt.Usually is used in a fuel cell to generate electrical energy anode-side hydrogen or a hydrogen-rich gas as fuel and cathode side oxygen or an oxygen-rich Gas such as ambient air supplied as an oxidizing agent. The electrodes of the fuel cell are through an ion exchange membrane (eg polymer electrolyte membrane) separated from each other.
Die
anodeneingangsseitig zugeführten Wasserstoffmoleküle
reagieren an einem im Anodenbereich vorhandenen Anodenkatalysator
nach der Gleichung
In dem Brennstoffzellensystem wird somit als Reaktionsprodukt der elektrochemischen Prozesse in der Brennstoffzelle Wasser gebildet. Darüber hinaus wird häufig gemeinsam mit den dem Anodenbereich bzw. dem Kathodenbereich zugeführten Reaktanden zusätzliches Wasser in das Brennstoffzellensystem eingetragen. Beispielsweise kann in den Anodengasen oder in der Umgebungsluft Feuchtigkeit enthalten sein.In The fuel cell system is thus the reaction product of the electrochemical Processes formed in the fuel cell water. About that In addition, it often becomes common with the anode area or the cathode region added reactants additional Water entered into the fuel cell system. For example may contain moisture in the anode gases or in the ambient air be.
Flüssiges Wasser kann jedoch in dem Brennstoffzellensystem, insbesondere im Bereich der Brennstoffzelle vorgesehene Strömungskanäle blockieren und so eine gleichmäßige Verteilung der gasförmigen Reaktanden in dem System bzw. in der Brennstoffzelle beeinträchtigen. Dies kann sich negativ auf den Umsetzungsgrad der Reaktanden in der Brennstoffzelle und damit auf den Wirkungsgrad des Systems auswirken. Weiter kann in dem Brennstoffzellensystem vorhandenes flüssiges Wasser bei tiefen Temperaturen gefrieren, was zu Beschädigungen der Systemkomponenten und Blockaden von Strömungskanälen führen kann. Bei einer mobilen Anwendung der Brennstoffzelle, zum Beispiel für einen Antrieb eines Fahrzeugs, ist es außerdem notwendig, eine Emission von flüssigem Wasser zu vermeiden, da dieses bei tiefen Außentemperaturen zu einer Eisbildung auf einer Fahrbahn und somit zu einer Verkehrsgefährdung führen könnte.liquid However, water can be used in the fuel cell system, especially in the Block the fuel cell provided flow channels and so a uniform distribution of gaseous Affecting reactants in the system or in the fuel cell. This can negatively affect the degree of conversion of the reactants in the fuel cell and thus affect the efficiency of the system. Further, in the fuel cell system existing liquid Water freezes at low temperatures, causing damage to the System components and blockages of flow channels can lead. In a mobile application of the fuel cell, for example, for a drive of a vehicle, it is also necessary, an emission of liquid Avoid water as this is at low outside temperatures Ice formation on a road and thus a traffic hazard could lead.
Deshalb enthalten Brennstoffzellensysteme üblicherweise mehrere Flüssigkeitsabscheider, die an verschiedenen Stellen in dem System angeordnet sind, um flüssiges Wasser aus den Gasströmen bzw. dem System zu entfernen.Therefore Fuel cell systems usually contain several Liquid separators, which are in different places in The system is arranged to remove liquid water from the Gas flows or the system to remove.
Der
Aufbau eines herkömmlichen Brennstoffzellensystems, wie
es beispielsweise in der
Das
in
Dem
Kathodenbereich
Um
für die Wasserstoffionen leitfähig zu sein, muss
die Ionenaustauschmembran
Der
Anodenbereich
Ferner
steht die Anodenabgasabfuhrleitung
Aus
den oben dargelegten Gründen sind vorzugsweise in der Kathodengaszufuhrleitung
In
Zusammenhang mit den beschriebenen Flüssigkeitsabscheidern
Zum
Beispiel ist aus der
Weiter
offenbart die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitsabscheider für ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, der bei einem so genannten Gefrierstart schnell funktionsfähig ist.Of the Invention is based on the object, a liquid separator to create a fuel cell system at a so-called freeze start is fast functioning.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Flüssigkeitsabscheider mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.These Task is solved by a liquid separator with the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention are in the dependent Claims specified.
Ein Flüssigkeitsabscheider gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Sammelbehälter, der einen Gaseinlass, einen Gasauslass und einen Wasserauslass aufweist, eine Wasserablaufleitung, die mit dem Wasserauslass verbunden ist, und ein Ablassventil, das in der Wasserablaufleitung angeordnet ist, auf. Zusätzlich ist in dem Sammelbehälter wenigstens ein beheizbares Strukturelement derart angeordnet und ausgebildet ist, dass es beim Beheizen in einem Eisblock in dem Sammelbehälter wenigstens einen mit dem Wasserauslass verbundenen Kanal erzeugt.One Liquid separator according to the present The invention comprises a collection container having a gas inlet, a gas outlet and a water outlet, a water drain line, the connected to the water outlet, and a drain valve, the in the water drain line is arranged on. additionally is in the collecting container at least one heatable structural element is arranged and designed such that it is heated when in a block of ice in the collection at least one with generated connected to the water outlet channel.
Mit dem beheizbaren Strukturelement im Sammelbehälter werden gezielt für die Funktion des Sammelbehälters benötigte Bereiche, nämlich jene zur Bildung von Kanälen für einen Ablauf flüssigen Wassers zum Wasserauslass in die Wasserablaufleitung erwärmt. Dies führt zur schnellen Herstellung der Funktionsfähigkeit des Flüssigkeitsabscheiders, ohne den gesamten Eisblock schmelzen zu müssen, wie dies bei herkömmlichen Flüssigkeitsabscheidern der Fall ist. Durch die Eingrenzung der zu erwärmenden Bereiche im Sammelbehälter kann die Funktionsfähigkeit des Flüssigkeitsabscheiders bei einem so genannten Gefrierstart nicht nur sehr schnell, sondern auch mit einem nur geringen Energieaufwand gewährleistet werden.With the heatable structural element in the collecting container specifically required for the function of the collection container Areas, namely those for the formation of channels for a drain of liquid water to the water outlet heated in the water drain line. this leads to for quickly producing the functionality of the liquid separator, without to melt the entire block of ice, as with conventional liquid separators the case is. By limiting the areas to be heated in the collection can the functionality the liquid separator in a so-called freeze start Not only very fast, but also guaranteed with only a small amount of energy become.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das wenigstens eine beheizbare Strukturelement aus einem Material gebildet ist, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als ein Material des Sammelbehälters. Hierdurch wird die Wärme noch gezielter in den Sammelbehälter eingeleitet, indem der Wärmeeintragbereich noch weiter beschränkt wird.In a preferred embodiment of the invention, the at least one heatable structural element is formed from a material which has a higher thermal conductivity than a material of the collecting container. As a result, the heat is introduced in a more targeted manner in the collecting container by the heat input limited even further becomes.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das wenigstens eine beheizbare Strukturelement unter Verwendung der Wärmeenergie einer Brennstoffzelle, eines Startheizers oder eines Betriebsmediums, vorzugsweise eines Kühlmediums, des Brennstoffzellensystems erwärmt werden. Da zum Auftauen des Flüssigkeitsabscheiders ohnehin vorhandene Wärmequellen des Brennstoffzellensystems genutzt werden, ist der Energieaufwand für den Wärmeeintrag in den Sammelbehälter des Flüssigkeitsabscheiders sehr gering.In In a further embodiment of the invention, the at least one Heatable structural element using the heat energy a fuel cell, a starting heater or a working medium, preferably a cooling medium, the fuel cell system to be heated. There to thaw the liquid separator Any existing heat sources of the fuel cell system be used, is the energy input for the heat input into the collecting tank of the liquid separator very low.
Alternativ oder zusätzlich kann das wenigstens eine beheizbare Strukturelement auch unter Verwendung eines elektrischen Heizelements oder einer Wasserstoffverbrennung im Flüssigkeitsabscheider selbst erwärmt werden.alternative or additionally, the at least one heatable structural element also using an electric heating element or a Hydrogen combustion in the liquid separator itself to be heated.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das wenigstens eine beheizbare Strukturelement ein in den Sammelbehälter ragendes Rippenelement auf.In an embodiment of the invention, the at least a heatable structural element a in the sump protruding rib element.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist das wenigstens eine beheizbare Strukturelement ein mit dem Wasserauslass verbundenes Rohrelement mit Durchbrechungen in der Rohrwand auf.In another embodiment of the invention, the at least a heatable structural element connected to the water outlet pipe element with openings in the pipe wall.
In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind auch das Ablassventil und/oder die Wasserablaufleitung zumindest teilweise beheizbar.In In yet another embodiment of the invention are also the drain valve and / or the water drain line at least partially heated.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle mit einem Anodenbereich und einem Kathodenbereich, eine Kathodengaszufuhrleitung, eine Kathodenabgasabfuhrleitung, eine Anodengaszufuhrleitung, eine Anodenabgasabfuhrleitung und wenigstens einen oben beschriebenen Flüssigkeitsabscheider.According to one Another aspect of the invention includes a fuel cell system a fuel cell having an anode region and a cathode region, a cathode gas supply line, a cathode exhaust gas discharge line, an anode gas supply line, an anode exhaust gas discharge line and at least a liquid separator described above.
Bei dem Flüssigkeitsabscheider des Brennstoffzellensystems, der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, handelt es sich zum Beispiel um einen Flüssigkeitsabscheider in der Kathodengaszufuhrleitung, einen Flüssigkeitsabscheider in der Anodengaszufuhrleitung und/oder einen Flüssigkeitsabscheider in der Anodenabgasabfuhrleitung des Brennstoffzellensystems.at the liquid separator of the fuel cell system, formed in accordance with the present invention is, it is for example a liquid separator in the cathode gas supply line, a liquid separator in the anode gas supply line and / or a liquid separator in the anode exhaust gas discharge pipe of the fuel cell system.
Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Dabei zeigen:Above and other features and advantages of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments better understood with reference to the accompanying drawings. Showing:
Der
Flüssigkeitsabscheider der vorliegenden Erfindung kann
in vorteilhafter Weise in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt
werden, wie es in
In
dem in
Das
Grundprinzip und die Funktionsweise eines Flüssigkeitsabscheiders
der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezug auf
Der
Flüssigkeitsabscheider
Im
Bodenbereich des Sammelbehälters
Wie
in
Bei
einem Start des Brennstoffzellensystems aus dem in
Im
Gegensatz zu herkömmlichen Systemen wird zu diesem Zweck
nicht der komplette Eisblock
D.
h. zum Erzielen der Funktionsfähigkeit des Flüssigkeitsabscheiders
Eine
weitere Begrenzung des Wärmeeintragbereichs und damit des
benötigten Energieaufwandes kann erreicht werden, indem
das wenigstens eine Strukturelement
Das
Strukturelement
Der
Bereich der Wasserablaufleitung
Das
beheizbare Strukturelement
Eine
andere bevorzugte Ausführungsform des wenigstens einen
Strukturelements
In
dem Ausführungsbeispiel von
Das
Rohrelement
Unterhalb
des Sammelbehälters
Hat
sich in dem Sammelbehälter
Da
der Eisblock
Während
in dem Ausführungsbeispiel von
In
dem Ausführungsbeispiel von
In
einer Variante dieses Ausführungsbeispiels kann die Wasserablaufleitung
Die
Beheizung des Strukturelements
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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