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Die Erfindung betrifft eine Abscheidevorrichtung für ein Fluid aus einem Brennstoffzellensystem, wobei das Fluid einen Wasser- und einen Gasanteil umfasst, mit einem Fluideingang zur Zuführung des Fluids, mit einem Fluidausgang zur Abführung des Fluids oder einem Anteil davon, mit einem Ausgangsventil, welches den Fluidausgang steuert und mit einem ersten Reservoirbereich, in dem der Wasseranteil des Fluids gesammelt wird, wobei der erste Reservoirbereich einen ersten Auslass aufweist, um den Wasseranteil in Richtung des Fluidausgangs zu führen. Die Erfindung betrifft auch ein Brennstoffzellensystem mit der Abscheidevorrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb der Abscheidevorrichtung.
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Brennstoffzellensysteme dienen zur Umsetzung von chemischer in elektrischer Energie. Hierzu wird über einen elektrochemischen Prozess ein Brennstoff, meist Wasserstoff, mit einem Oxidanten, meist Umgebungsluft, umgesetzt, um die elektrische Energie zu generieren. Bei dem elektrochemischen Prozess entstehen neben sehr sauberen Ausgangsgasen zusätzlich auch Wasseranteile, welche zum Teil vorteilhaft zur Befeuchtung einer Membran der Brennstoffzellen oder des Oxidanten in dem Brennstoffzellensystem genutzt werden können. Allerdings ist die Erzeugung des Wasseranteils so stark, dass in einem längeren Betrieb Wasser aus dem Brennstoffzellensystem abgeführt werden muss. Die Abführung des Wasseranteils kann beispielsweise durch eine Abflussleitung umgesetzt werden, welche mittels eines Ventils geschaltet wird.
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Insbesondere bei Brennstoffzellensystemen, bei denen der teilverbrauchte Brennstoff von einem Brennstoffzellenausgang in einem Zirkulationszweig in einen Brennstoffzelleneingang zurückgeführt wird, kann es vorkommen, dass das in dem Rezirkulationszweig bzw. in der Brennstoffzelle vorhandene Gas zum Beispiel durch Stickstoff (N2) verunreinigt wird. In diesem Fall ist bei vielen Brennstoffzellensystemen eine Ablassleitung – eine sogenannte Purge-Leitung – vorgesehen, über die das Gas aus dem Rezirkulationszweig bzw. aus der Brennstoffzelle stoßartig ausgeschieden werden kann.
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Nachdem die Brennstoffzellensysteme als alltagstaugliche Energiequelle zum Antrieb von Fahrzeugen eingesetzt werden sollen und werden, müssen die Brennstoffzellensysteme auch bei wechselnden Umweltbedingungen ausfallsicher arbeiten können. Insbesondere stellt ein Einfrieren des Wasseranteils in dem Brennstoffzellensystem eine technische Herausforderung dar. Aus diesem Grund ist es möglich, die Ablassleitungen für das Wasser und das Gas getrennt mit zwei Auslassventilen umzusetzen, da bei einem Einfrieren des Wasseranteils immer noch das Gas über die zweite Ablassleitung sicher ausgestoßen werden kann.
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Die Druckschrift
DE 11 2007 002 278 T5 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, schlägt dagegen vor, bei einem Brennstoffzellensystem ein Gas-/Wasseraustragsventil zum gleichzeitigen Durchführen des Austragens von Gas und Wasser zu verwenden. Damit kann die Anzahl der Auslassventile reduziert werden. Die Problematik eines Einfrierens des Wasseranteils wird umgangen, indem über einen Sensor die Wassertemperatur erfasst wird und ein Ausstoß des Gas-/Wasseranteils nur dann erfolgt, wenn die Wassertemperatur einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abscheidevorrichtung für ein Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, welches ein sicheres Betriebsverhalten aufweist. Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem mit der Abscheidevorrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb der Abscheidevorrichtung vorzuschlagen.
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Diese Aufgaben werden durch eine Abscheidevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1, mit einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruches 6 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Im Rahmen der Erfindung wird somit eine Abscheidevorrichtung vorgeschlagen, welche für ein Fluid aus einem Brennstoffzellensystem geeignet und/oder ausgebildet ist. Das Fluid umfasst einen Wasser- und einen Gasanteil. Der Gasanteil wird besonders bevorzugt durch Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, aus dem Brennstoffzellensystem gegebenenfalls mit Verunreinigungen wie zum Beispiel Stickstoff, gebildet. Der Wasseranteil liegt in gasförmiger oder flüssiger Form vor und ist vorzugsweise durch die elektrochemische Umsetzung des Brennstoff und des Oxidanten in dem Brennstoffzellensystem gebildet worden.
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Die Abscheidevorrichtung umfasst einen Fluideingang, über den das Fluid zum Beispiel aus einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems, zugeführt wird. Ferner umfasst die Abscheidevorrichtung einen Fluidausgang, über den das Fluid oder Anteile davon abgeführt werden. Der Fluidausgang ist durch ein Ausgangsventil steuerbar, insbesondere kann der Fluidausgang durch das Ausgangsventil geöffnet und geschlossen werden.
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Die Abscheidevorrichtung ist insbesondere ausgebildet, den Wasseranteil aus dem Fluid auszuscheiden und den Wasseranteil und/oder den Gasanteil über den Fluidausgang, z. B. in die Umgebung oder in Richtung eines Verbrauchers, auszustoßen.
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Besonders bevorzugt weist die Abscheidevorrichtung genau einen Fluidausgang zum Abführen bzw. Ausstoßen und/oder genau ein Ausgangsventil auf, wobei über diesen gemeinsamen Fluidausgang bzw. über das gemeinsame Ausgangsventil sowohl der Wasseranteil als auch der Gasanteil abgeführt bzw. ausgestoßen werden kann.
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In der Abscheidevorrichtung ist ein erster Reservoirbereich vorgesehen, in dem der Wasseranteil, insbesondere der flüssige Wasseranteil, des Fluids gesammelt wird und der einen ersten Auslass aufweist, um dem Wasseranteil in Richtung des Fluidausgangs zu führen. In dem ersten Reservoirbereich wird somit der Wasseranteil zusammengeführt, wobei der erste Reservoirbereich strömungstechnisch mit dem Fluidausgang verbunden ist, wobei – wie nachfolgend noch ausgeführt wird – noch weitere strömungstechnische Elemente und Komponenten zwischengeschaltet sein können.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Abscheidevorrichtung einen zweiten Reservoirbereich aufweist, der einen zweiten Auslass aufweist, welcher den Wasseranteil in Richtung des Fluidausgangs führt bzw. weiter führt. So ist der erste Reservoirbereich zunächst über den ersten Auslass mit dem zweiten Reservoirbereich und der zweite Reservoirbereich über den zweiten Auslass mit dem Fluidausgang strömungstechnisch seriell verbunden.
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Ein Wasseranteil kann somit von dem ersten Reservoirbereich über den ersten Auslass in den zweiten Reservoirbereich und dann über den zweiten Auslass in den Fluidausgang fließen. Insbesondere ist dieser strömungstechnische Pfad die einzige Verbindung zwischen dem ersten Reservoirbereich und dem Fluidausgang für den flüssigen Wasseranteil im regulären Betrieb, d. h. ohne ein Überlaufen des ersten Reservoirbereichs.
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Betrachtet man eine bestimmungsgemäße Einbaulage der Abscheidevorrichtung, so ist der erste Auslass tiefer als der zweite Auslass angeordnet. Der höhenmäßige Versatz des ersten und des zweiten Auslasses führt dazu, dass ein Bodenansatz des Wasseranteils in dem ersten und dem zweiten Reservoirbereich unterhalb des zweiten Auslasses am Abfließen gehindert ist, wobei dieser Bodensatz den ersten Auslass vollständig bedeckt. Es ist somit konstruktiv vorgegeben, dass der erste Auslass, der den ersten Reservoirbereich und den zweiten Reservoirbereich verbindet, stets vollständig durch den Bodensatz des Wasseranteils bedeckt ist.
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Es ist dabei eine Überlegung der Erfindung, dass es vorteilhaft ist, den Abfluss des Wasseranteils und des Gasanteils über einen gemeinsamen Fluidausgang und vorzugsweise über ein gemeinsames Ausgangsventil umzusetzen. Bislang lag das Problem vor, dass dieser gemeinsame Fluidausgang bei Temperaturen unter 0°C aufgrund des Wasseranteils einfrieren kann und somit sowohl das Abführen des Wasseranteils als auch des Gasanteils blockiert.
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Dadurch, dass die Abscheidevorrichtung so ausgebildet ist, dass stets ein Bodensatz des Wasseranteils in der Abscheidevorrichtung verbleibt, welcher den ersten Auslass vollständig bedeckt, wird das Problem des Einfrierens des gemeinsamen Fluidausgangs bzw. des gemeinsamen Ausgangsventils elegant gelöst: Bei Temperaturen unter 0°C wird dieser Bodensatz des Wasseranteils naturgemäß einfrieren. Dadurch ist der erste Auslass prozesssicher verschlossen. Ein Abfließen des Wasseranteils aus dem ersten Reservoirbereich in den Fluidausgang wird verhindert, solange der Bodensatz des Wasseranteils eingefroren und dadurch der erste Auslass vollständig geschlossen ist.
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Der Gasanteil kann dagegen frei den Fluidausgang passieren, sodass auch im Betrieb unter 0°C und mit eingefrorenem Bodensatz des Wasseranteils der Gasanteil über den Fluidausgang und das Ausgangsventil prozesssicher ausgestoßen werden kann.
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Bevorzugt weist die Abscheidevorrichtung eine Gasführungseinrichtung zur Führung des Gasanteils auf, welche strömungstechnisch mit dem Fluidausgang gekoppelt ist und welche einen Einlass oberhalb des ersten und/oder zweiten Auslasses aufweist. Vorzugsweise ist der Einlass so angeordnet, dass auch bei einem stärker gefüllten Reservoirbereich, also bei einem höheren Pegelstand, der Gasanteil ungehindert zu dem Fluidausgang geführt werden kann.
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Bei einer möglichen konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Auslass in oder an einem ersten Röhrenkörper und der zweite Auslass in oder an einem zweiten Röhrenkörper eingebracht, wobei der zweite Röhrenkörper innerhalb des ersten Röhrenkörpers angeordnet ist. Der Innenraum des zweiten Röhrenkörpers ist strömungstechnisch mit dem Fluidausgang verbunden und bildet zudem die Gasführungseinrichtung. Somit wird der Wasseranteil durch den ersten Auslass in einen Zwischenraum zwischen den Röhrenkörpern und dann über den zweiten Auslass zu dem Fluidausgang geführt. Der Gasanteil kann dagegen durch einen offenen Endabschnitt oder weitere Durchlässe als Einlass in dem zweiten Röhrenkörper frei und unabhängig von dem Wasseranteil zu dem Fluidausgang gelangen.
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Prinzipiell ist es möglich, dass der Querschnitt des ersten und des zweiten Röhrenkörpers z. B. polygonartig oder mehreckig ausgebildet ist oder eine Freiform aufweist. Es ist auch möglich, dass die Röhrenkörper jeweils als mehrteilige Baugruppen ausgebildet sind.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welche sich besonders einfach fertigungstechnisch umsetzen lässt, sind der erste und/oder der zweite Röhrenkörper in der Form eines geraden Hohlzylinders, also als Rohr mit kreisrundem Querschnitt, ausgebildet und sind koaxial und/oder konzentrisch zueinander angeordnet. Der erste Reservoirbereich ist somit radial betrachtet außerhalb des ersten Röhrenkörpers und der zweite Reservoirbereich zwischen den beiden Röhrenkörpern. Der erste Auslass kann als eine oder mehrere Durchgangsöffnungen oder Perforationen im Bodenbereich des ersten Röhrenkörpers ausgebildet sein, der zweite Auslass in den gleichen Variationen, jedoch in der Höhe versetzt zu dem ersten Auslass.
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Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung wird beansprucht, dass die Oberkante oder mindestens ein Abschnitt der Oberkante des ersten Röhrenkörpers tiefer als die Oberkante oder mindestens ein Teilabschnitt der Oberkante des zweiten Röhrenkörpers angeordnet ist. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, dass bei geschlossenem ersten Auslass und einem Betrieb des Brennstoffzellensystems der Pegel in dem ersten Reservoirbereich ansteigt. Um nun sicherzustellen, dass der Gasanteil jederzeit sicher zu dem Fluidausgang gelangen kann, sind die Oberkanten so gewählt, dass der Wasseranteil zunächst bis zur Oberkante des ersten Röhrenkörpers gelangt und dann in den zweiten Reservoirbereich eintritt. Hier kann nun zum einen vorgesehen sein, dass der Wasseranteil über den zweiten Auslass in den Fluidausgang abfließen kann oder – aufgrund des noch vorhandenen eingefrorenen Bodensatzes – ebenfalls anfriert und den zweiten Auslass ebenfalls verschließt. In dem letztgenannten Fall kann der Wasseranteil weiter ansteigen, bis die Oberkante des zweiten Röhrenkörpers erreicht ist. Erst bei diesem Pegelstand kann der Wasseranteil wieder den Fluidausgang erreichen. Somit ist durch den Versatz der Oberkanten der beiden Röhrenkörper eine zusätzliche Sicherheitsreserve im Frostbetrieb gegeben.
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Bei einer Alternative der Erfindung ist dagegen die Höhe der Oberkante oder mindestens ein Abschnitt der Oberkante des ersten Röhrenkörpers höher als die Oberkante oder mindestens ein Teilabschnitt der Oberkante des zweiten Röhrenkörpers angeordnet. Diese Ausführungsform stellt sicher, dass bei eingefrorenem erstem Auslass der Pegelstand sehr hoch steigen muss, bis der Wasseranteil den Fluidausgang oder den zweiten Auslass erreichen kann.
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Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung weist der erste Reservoirbereich einen Bodenabschnitt und einen Vorratsabschnitt auf, wobei der Bodenabschnitt in einer waagerechten Ebene insbesondere im Mittel eine kleinere Fläche einnimmt als der Vorratsabschnitt. Vorzugsweise ist der Bodenabschnitt von der Höhe so bemessen, dass dieser in gleicher Höhe mit dem zweiten Auslass endet, sodass durch den Bodenabschnitt der Bodensatz festgelegt ist. Dieser Weiterbildung der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass die gesamte Wärmekapazität des Bodensatzes des Wasseranteils in dem Bodenabschnitt dadurch gering gehalten wird, dass das zur Verfügung stehende Volumen im Bodenabschnitt für den Wasseranteil gering gehalten wird.
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Bei einem Anlauf des Brennstoffzellensystems bei einem Gefrierstart muss somit nur der vergleichsweise schmale Bodenabschnitt aufgetaut werden, bis es möglich ist, wieder den Wasseranteil über den Fluidausgang zu entsorgen.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug mit einem oder mehreren Brennstoffzellenstapeln sowie einer Abscheidevorrichtung, wie sie vorstehend beschrieben wurde.
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Bei einer ersten Alternative kann die Abscheidevorrichtung in einem Rezirkulationszweig angeordnet sein, welcher teilverbrauchtes Brennstoffgas aus dem Brennstoffzellenstapel in den Brennstoffzellenstapel zurückführt.
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Bei einer zweiten Ausführungsalternative ist die Abscheidevorrichtung in einem Auslasszweig angeordnet, welcher teilverbrauchtes Brennstoffgas aus dem Brennstoffzellenstapel auslässt.
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Bei einer dritten Ausführungsalternative ist die Abscheidevorrichtung in einem Ablasszweig angeordnet, welcher befeuchtetes Oxidantengas aus einem Wasser-Wärmetauscher ablässt.
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Bei den ersten zwei genannten Alternativen ist der Gasanteil als eine Mischung von Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, und Verunreinigungen, wie zum Beispiel Stickstoff, ausgebildet. Bei der dritten Alternative ist das Gas als eine Umgebungslust ausgebildet.
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Mit dem Ziel, die Abscheidevorrichtung möglichst rasch in einen betriebsbereiten Zustand zur Abgabe des Wasseranteils zu bringen, kann vorgesehen sein, dass die Abscheidevorrichtung thermisch mit dem Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, um das Auftauen des Bodensatzes zu beschleunigen.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die thermische Kopplung so ausgebildet ist, dass der Wärmefluss bevorzugt zunächst den Vorratsabschnitt und nachfolgend den Bodenabschnitt erreicht, um sicherzustellen, dass der Bodensatz in dem Bodenabschnitt erst dann aufgetaut wird, wenn der Wasseranteil in einem Vorratsabschnitt eine Temperatur erreicht hat, die ein ungefährliches Ablassen durch den Fluidausgang bzw. durch das Auslassventil erlaubt.
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Besonders bevorzugt wird die Abscheidevorrichtung durch ein Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf des Brennstoffzellenstapels temperiert. Das Kühlmittel wird durch den Brennstoffzellenstapel sehr früh auf eine Temperatur über 0°C gebracht, sodass durch die Temperierung der Abscheidevorrichtung mittels des Kühlmittels eine schnelle Aufwärmung der Abscheidevorrichtung erfolgt. Es kann dabei vorgesehen sein, dass das Kühlmittel die Abscheidevorrichtung durchströmt, der Wärmefluss somit über Konvektion verfolgt.
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Bei alternativen Ausführungsformen kann auch vorgesehen sein, dass die Abscheidevorrichtung zum Beispiel mit einem Flansch flächig an einem warmen Bereich des Brennstoffzellenstapels angeflanscht ist, sodass der Wärmefluss durch Wärmeleitung umgesetzt wird.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb der vorstehend beschriebenen Abscheidevorrichtung und/oder des Brennstoffzellensystems mit der Abscheidevorrichtung wie es zuvor beschrieben wurde. Insbesondere betrifft der Gegenstand ein Verfahren zum Sichern der Abscheidevorrichtung.
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Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass im Betrieb der Abscheidevorrichtung ein Wasseranteil des Fluids im ersten und im zweiten Reservoirbereich gesammelt wird. Bereits während der Sammlung des Fluids läuft der Wasseranteil über den ersten und den zweiten Auslass ab. Aufgrund des Höhenversatzes der Auslässe wird jedoch ein Bodensatz des Wasseranteils am Abfließen gehindert, wobei der Bodensatz den ersten Auslass vollständig bedeckt. Bei einem Einfrieren des Bodensatzes wird der erste Auslass gesperrt, sodass kein Wasseranteil über den ersten Auslass in den Fluidausgang gelangen kann.
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Bei einem Auftauen der Abscheidevorrichtung wird der Bodensatz durch ein Erwärmen des Brennstoffzellensystems aufgetaut, wobei nach dem Auftauen der erste Auslass strömungstechnisch durchgängig ist, sodass nach dem Auftauen ein Wasseranteil über den ersten Auslass in den Fluidausgang gelangen kann.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Blockdarstellung eines Brennstoffzellensystem als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 in gleicher Darstellung wie die 1 ein Brennstoffzellensystem als ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3 in gleicher Darstellung wie die vorhergehenden Figuren ein drittes Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems;
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4 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Abscheidevorrichtung der Brennstoffzellensysteme der vorhergehenden Figuren;
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5 eine mögliche Variante der Abscheidevorrichtung in einer schematischen Vergrößerung;
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6 eine dritte Alternative für eine Abscheidevorrichtung;
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7a, b eine vierte Alternative für eine Abscheidevorrichtung.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung ein Brennstoffzellensystem 1, welches beispielsweise in einem Fahrzeug zur Erzeugung von Antriebsenergie zum Fortbewegen des Fahrzeugs genutzt wird. Es handelt sich insbesondere um ein mobiles Brennstoffzellensystem.
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Von dem Brennstoffzellensystem 1 sind im Wesentlichen nur ein Brennstoffzellenstapel 2, welcher beispielsweise mehr als 50 Einzelbrennstoffzellen aufweist, sowie eine Kathodengasversorgung 3 und eine Anodengasversorgung 4 gezeigt. Insbesondere handelt es sich um Niedertemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen PEMFC oder PEFC. Die Kathodengasversorgung 3 stellt einen Oxidanten, in diesem Beispiel Umgebungsluft, bereit, welcher über einen Kathodeneingang 5a in den Brennstoffzellenstapel 2 eingeleitet wird und wobei der nicht verbrauchte Oxidant über einen Kathodenausgang 5b den Brennstoffzellenstapel 2 wieder verlässt.
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Bei der Anodengasversorgung 4 wird von einer nicht dargestellten Quelle, wie z. B. einem Tank, ein Brennstoff, in diesem Beispiel Wasserstoff, über einen Anodeneingang 6a in den Brennstoffzellenstapel 2 eingeführt und verlässt diesen teilverbraucht über einen Anodenausgang 6b wieder. In dem Brennstoffzellenstapel 2 findet zwischen dem Oxidanten und dem Brennstoff eine elektrochemische Reaktion statt, wobei Sauerstoff und Wasserstoff umgesetzt werden, um elektrische Energie zu erzeugen. Aufgrund der elektrochemischen Reaktion und aufgrund der Tatsache, dass über den Kathodeneingang 5a nicht nur reiner Sauerstoff, sondern im Wesentlichen ein Sauerstoff-Stickstoff-Gemisch zugeführt wird, tritt am Kathodenausgang 5b eine Mischung aus Sauerstoff, Stickstoff und Wasser und an dem Anodenausgang 6b eine Mischung aus Wasserstoff, Stickstoff und Wasser aus.
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Der Anodenausgang 6b führt zu einem Rezirkulationszweig 7, welcher den austretenden, teilverbrauchten Brennstoff wieder zu dem Anodeneingang 6a rezirkuliert. Für eine Beschleunigung des teilverbrauchten Brennstoffs ist eine Rezirkulationspumpe 8 in den Rezirkulationszweig 7 strömungstechnisch geschaltet.
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Nachdem im Betrieb der Stickstoff nicht verbraucht wird und sich zudem aufgrund der elektrochemischen Reaktion Wasser in dem Rezirkulationszweig 7 ansammelt, ist eine Abscheidevorrichtung 9 vorgesehen, welche strömungstechnisch zwischen dem Anodenausgang 6b und dem Anodeneingang 6a geschalten ist. Der Abscheidevorrichtung 9 wird somit über einen Fluideingang 10 ein Fluid umfassend einen Gasanteil, nämlich teilverbrauchter Wasserstoff und Stickstoff, sowie ein Wasseranteil zugeführt.
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Die Abscheidevorrichtung 9 setzt zwei Funktionen um: Zum einen wird der Wasseranteil aus dem Fluid abgeschieden und auf diese Weise aus dem Rezirkulationszweig 7 entnommen. Zum zweiten weist die Abscheidevorrichtung 9 einen Fluidausgang 11 auf, welcher über ein strömungstechnisch nachgeschaltetes Ventil 12 steuerbar ist, wobei bei einem Öffnen des Ventils 12 über den Fluidausgang 11 der Gasanteil und/oder der Wasseranteil des Fluids abgelassen werden kann. Durch ein Ablassen des Wasseranteils wird dieser dem Rezirkulationszweig 7 endgültig entnommen. Durch ein Ablassen des Gasanteils wird ein so genannter Purge durchgeführt, wobei ein Gasanteil, welcher zu hoch mit einem Stickstoffanteil oder anderen Verunreinigungen belastet ist, aus dem Rezirkulationszweig 7 ausgestoßen wird.
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Die 2 zeigt eine Abwandlung des Brennstoffzellensystems 1 in der 1, wobei das Brennstoffzellensystem 1 in der 2 keinen Rezirkulationszweig 7 aufweist. Stattdessen ist die Abscheidevorrichtung 9 ausschließlich zum Ablassen von dem Fluid, insbesondere dem Gasanteil und dem Wasseranteil, ausgebildet.
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Die 3 zeigt eine weitere Variante des Brennstoffzellensystems 1, wobei aus grafischen Gründen vollständig auf die Anodengasversorgung 4 verzichtet wurde. Bei der Kathodengasversorgung 3 ist zu erkennen, dass nun ausgehend von dem Kathodenausgang 5b der teilverbrauchte Oxidant in Richtung des Kathodeneingangs 5a zurückgeführt wird und in einen Wärme-/Feuchtigkeitstauscher 13 eingeführt wird, in dem auch eine Zuführung zu dem Kathodeneingang 5a angeordnet ist. In dem Wärme-/Feuchtigkeitsaustauscher 13 wird Wärme und/oder Feuchtigkeit von dem aus dem Kathodenausgang 5b austretenden Oxidanten an den in den Kathodeneingang 5a eintretenden Oxidanten übergeben. Auch an dieser Position kann sich eine Abscheidevorrichtung 9 für das Fluid als sinnvoll erweisen.
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Die 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Abscheidevorrichtung 9, wie diese insbesondere in das Brennstoffzellensystem 1 der 1 integriert werden kann. Auf der rechten Seite ist ein erster Flansch 14 zu erkennen, welcher den Fluideingang 10 bildet. An der Unterseite ist ein zweiter Flansch 15 zu erkennen, welcher den Fluidausgang 11 bildet. Auf der linken Seite ist ein dritter Flansch 16 zu erkennen, der eine strömungstechnische Kopplung der Abscheidevorrichtung 9 mit dem Rezirkulationszweig 7 umsetzt. Bei Ausführungsformen der Abscheidevorrichtung 9 für die Brennstoffzellensysteme 1 in den 2 und 3 ist der dritte Flansch 16 verschlossen.
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Im Betrieb wird durch den ersten Flansch 14 bzw. den Fluideingang 10 das Fluid in die Abscheidevorrichtung 9 aus dem Rezirkulationszweig 7 hineingeführt und über den dritten Flansch 16 zu dem Rezirkulationszweig 7 wieder abgeführt. Ober den zweiten Flansch 15 bzw. den Fluidausgang 11 kann der Wasseranteil oder der Gasanteil des Fluids über das Ventil 12 abgelassen werden.
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Der in dem gezeigten Querschnitt rechteckige Innenraum der Abscheidevorrichtung 9 weist einen ersten Röhrenkörper 17 und einen zweiten Röhrenkörper 18 auf, welche koaxial und konzentrisch zueinander angeordnet sind. Der zweite Röhrenkörper 18 ist in einer gedachten Verlängerung des zweiten Flansches 15 bzw. des Fluidausgangs 11 angeordnet bzw. ausgerichtet und mit diesem strömungstechnisch verbunden. Der erste Röhrenkörper 17 ist dagegen auf einem Boden der Abscheidevorrichtung 9 aufgesetzt. Außerhalb des ersten Röhrenkörpers 17 ergibt sich ein erster Reservoirbereich 19, zwischen dem ersten Röhrenkörper 17 und dem zweiten Röhrenkörper 18 ergibt sich ein zweiter Reservoirbereich 20. Der zweite Reservoirbereich 20 kann beispielsweise als ein Ringspalt ausgebildet sein.
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In dem ersten Röhrenkörper 17 sind bodenseitig erste Auslässe 21 angeordnet, welche den ersten Reservoirbereich 19 mit dem zweiten Reservoirbereich 20 strömungstechnisch verbinden. Der zweite Röhrenkörper 18 weist zweite Auslässe 22 auf, welche den zweiten Reservoirbereich 20 strömungstechnisch mit dem Innenraum des zweiten Röhrenkörpers 18 und damit dem Fluidausgang 11 verbinden. Betrachtet man die Abscheidevorrichtung 9 in Einbaulage, so sind die ersten Auslässe 21 in einer Höhe h1 und die zweiten Auslässe 22 in einer zweiten Höhe h2 angeordnet, wobei h2 größer als h1 ist.
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In der Abscheidevorrichtung 9 ist schematisch ein Bodensatz 23 eines Wasseranteils dargestellt. Der Bodensatz 23 erstreckt sich bis zur Unterkante der zweiten Auslässe 22. Wird durch den Fluideingang 10 ein weiterer Wasseranteil in die Abscheidevorrichtung 9 eingeführt, so steigt der Pegel und der Wasseranteil fließt über die zweiten Auslässe 22 zu dem Fluidausgang 11. Durch die konstruktive Anordnung der ersten und zweiten Auslässe 21, 22 ist jedoch sichergestellt, dass sich stets mindestens der Bodensatz 23 in der Abscheidevorrichtung 9 befindet.
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In der 5 ist der Bereich um den Fluidausgang 11 nochmals grafisch vergrößert dargestellt. Der Pfeil 24 symbolisiert den Fluss des Wasseranteils von dem ersten Reservoirbereich 19 über den zweiten Reservoirbereich 20 zu dem Fluidausgang 11.
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Sobald die Umgebungstemperaturen, insbesondere die Innentemperatur des Brennstoffzellensystems 1 soweit unter 0°C sinken, dass der Wasseranteil in der Abscheidevorrichtung 9 einfriert, so gefriert der Bodensatz 23. Nachdem die ersten Auslässe 21 von dem Bodensatz 23 vollständig bedeckt sind, führt ein Einfrieren des Bodensatzes 23 zu einem Verschließen der ersten Auslässe 21. Wird in diesem Zustand über den Fluideingang 10 ein weiterer Wasseranteil in die Abscheidevorrichtung 9 eingebracht, so steigt zwar der Pegel in dem ersten Reservoirbereich 19, es kann jedoch kein Wasser zu dem Fluidausgang 11 gelangen, solange der Pegel nicht höher ist als die Oberkante des ersten Röhrenkörpers 17.
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Dagegen ist es stets möglich, dass ein Gasanteil über den Fluidausgang 11 und das Ventil 12 abgelassen wird, da diese dem Pfeil 26 folgend durch eine deckenseitige Öffnung des zweiten Röhrenkörpers 18 als Einlass ungehindert, insbesondere unabhängig von einer Vereisung des Bodensatzes 23, zu dem Fluidausgang 11 gelangen kann.
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Die Abscheidevorrichtung 9 ermöglicht es somit, bei einer Vereisung oder bei einem Froststart des Brennstoffzellensystems 1, den Wasseranteil zurückzuhalten und nur den Gasanteil zu dem Fluidausgang 11 zu lassen. Damit ist eine Vereisung des Fluidausgangs 11 bzw. des Ventils 12 durch den Wasseranteil ausgeschlossen und die Abscheidevorrichtung 9 funktioniert auch im Frostbereich prozesssicher, obwohl für den Wasseranteil und den Gasanteil ein gemeinsamer Fluidausgang 11 und ein gemeinsames Ventil 12 verwendet werden.
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Die 6 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform der Abscheidevorrichtung 9, wobei in Bezug auf die Höhe der erste Reservoirbereich 19 einen Bodenabschnitt 27 und einen darüber angeordneten Vorratsabschnitt 28 aufweist. Der Bodenabschnitt 27 erstreckt sich von dem Boden der Abscheidevorrichtung 9 bis zu der Oberkante des zweiten Röhrenkörpers 18, wobei dessen obere freie Öffnung bei diesem Ausführungsbeispiel die zweiten Auslässe 22 bildet. Bei den vorhergehenden Beispielen erstreckt sich der Bodenabschnitt somit bis zu den zweiten Auslässen 22. Der Vorratsabschnitt 28 erstreckt sich bis zur Oberkante des ersten Röhrenkörpers 17. Der Bodenabschnitt 25 ist deutlich schmaler als der Vorratsabschnitt 28 ausgebildet. Betrachtet man die Querschnittfläche senkrecht zur Höhenerstreckung, so ist die Querschnittfläche des Bodenabschnitts 25 kleiner als die Querschnittfläche des Vorratsabschnitts 28 ausgebildet. Diese Ausgestaltung führt dazu, dass der Bodensatz 23 nur ein geringes Volumen aufweist, sodass der Bodensatz 23 bei einer Inbetriebnahme schnell aufgetaut werden kann. Der gegenüber dem Bodenabschnitt 25 verbreitete Vorratsabschnitt 28 erlaubt dagegen die Aufnahme eines großen Volumens von Wasser.
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Im Betrieb kann somit bei durch Vereisung des Bodensatzes 23 verschlossenen ersten Auslässen 21 der Pegel in dem ersten Reservoirbereich 19 bis zum oberen Ende des Vorratsabschnitts 28 ansteigen, ohne die Abfuhr des Gasanteils zu behindern.
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In der 6 ist ebenfalls schematisch dargestellt, dass Wärmeenergie Q zum Auftauen des Bodensatzes 23 über den ersten Flansch 14 zugeführt wird. Der erste Flansch 14 ist im Deckenbereich der Abscheidevorrichtung 9 angeordnet, sodass die zugeführte Wärme zunächst über die Wände des Vorratsabschnitts 28 geleitet werden muss, bis diese den Bodensatz 23 im Bodenabschnitt 27 auftauen kann. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass sichergestellt ist, dass der im Vorratsabschnitt 28 vorhandene Wasseranteil zunächst aufgetaut/angewärmt wird und erst dann der Bodensatz 23 aufgetaut und die ersten Auslässe 21 freigegeben werden. Durch diese Reihenfolge wird nämlich sichergestellt, dass das über den Fluidausgang 11 ablaufende Wasser ausreichend warm ist, um einer Vereisung des Ventils 12 vorzubeugen.
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In der 6 sind ergänzend verschiedene Dimensionen mit Buchstaben bezeichnet, um anzudeuten, dass durch Änderung der Dimensionen die Betriebseigenschaften geändert werden können: Bei einer Änderung des Verhältnisses d2/d3 kann z. B. das Volumen des Bodensatzes 23 eingestellt werden und damit die benötigte Zeit für ein Auftauen der ersten Auslässe 21 eingestellt werden. Über die Höhen h können die Aufnahmevolumina des Bodenabschnitts 27 und des Vorratsabschnitts 28 eingestellt werden. Durch die Wanddicke t kann Einfluss über die Wärmeleitfähigkeit genommen werden.
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Die 7 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels in der 6, wobei der erste Flansch 14 einen ersten Durchgangsbereich 29 aufweist, welcher den Fluideingang 10 bildet sowie einen zweiten Durchgangsbereich 30 zeigt, welcher jedoch durch eine Dichtung vollständig abgedeckt ist.
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Der zweite Durchgangsbereich 30 wird mit einem Kühlbereich des Brennstoffzellensystems 1 in thermischen Kontakt gebracht, sodass die Wärmeenergie aus dem Kühlbereich in die Abscheidevorrichtung 9 eingeführt wird, um dort den Bodensatz 23 aufzutauen oder zu temperieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellensystem
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Kathodengasversorgung
- 4
- Anodengasversorgung
- 5a
- Kathodeneingang
- 5b
- Kathodenausgang
- 6a
- Anodeneingang
- 6b
- Anodenausgang
- 7
- Rezirkulationszweig
- 8
- Rezirkulationspumpe
- 9
- Abscheidevorrichtung
- 10
- Fluideingang
- 11
- Fluidausgang
- 12
- Ventil
- 13
- Wärme-/Feuchtigkeitsaustauscher
- 14
- erster Flansch
- 15
- zweiter Flansch
- 16
- dritter Flansch
- 17
- erster Röhrenkörper
- 18
- zweiter Röhrenkörper
- 19
- erster Reservoirbereich
- 20
- zweiter Reservoirbereich
- 21
- erste Auslässe
- 22
- zweite Auslässe
- 23
- Bodensatz
- 24
- Pfeil
- 26
- Pfeil
- 27
- Bodenabschnitt
- 28
- Vorratsabschnitt
- 29
- erster Durchgangsbereich
- 30
- zweiter Durchgangsbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112007002278 T5 [0005]
