DE102016213836A1 - Method for heating a water separator and water separator for a fuel cell system of a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Beheizen eines Wasserabscheiders sowie einen Wasserabscheider eines Brennstoffzellensystems für ein Kraftfahrzeug. Das Verfahren umfasst den Schritt: Bestrahlen des Wasserabscheiders mit elektromagnetischer Strahlung, so dass sich im Wasserabscheider angesammeltes Wasser erwärmt.The technology disclosed herein relates to a method for heating a water separator and a water separator of a fuel cell system for a motor vehicle. The method comprises the step of irradiating the water separator with electromagnetic radiation so that water collected in the water separator heats up.
Description
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Beheizen eines Wasserabscheiders eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeugs sowie einen solchen Wasserabscheider. The technology disclosed herein relates to a method for heating a water separator of a fuel cell system of a motor vehicle and such a water separator.
Brennstoffzellensysteme als solche sind bekannt. Beim Betrieb eines Brennstoffzellensystems sammelt sich Stickstoff und Wasser im Anodensubsystem an. Zum Abscheiden von Wasser aus dem Anodensubsystem wird am Anodenausgang des Brennstoffzellenstacks ein Wasserabscheider eingesetzt. Ferner ist bekannt, aus dem Kathodenabgas Wasser mittels eines Wasserabscheiders abzutrennen. Abzutrennendes Wasser und Stickstoff werden bei vorbekannten Lösungen durch ein sogenanntes Anodenspülventil bzw. Purgeventil abgelassen. Fuel cell systems as such are known. When operating a fuel cell system, nitrogen and water accumulate in the anode subsystem. For separating water from the anode subsystem, a water separator is used at the anode outlet of the fuel cell stack. Furthermore, it is known to separate water from the cathode exhaust gas by means of a water separator. Water to be separated and nitrogen are discharged in previously known solutions through a so-called anode purge valve or purge valve.
Wird ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle im Winter bei niedrigen Umgebungstemperaturen abgestellt, so kann unter Umständen vorkommen, dass im Brennstoffzellensystem enthaltenes Wasser gefriert. Vor dem regulären Betrieb des Kraftfahrzeuges wird das Brennstoffzellensystem für den Betrieb konditioniert. Dazu sollte das gefrorene Wasser aus dem Brennstoffzellensystem entfernt werden. Insbesondere kann es vorkommen, dass ein zugefrorenes Anodenspülventil nicht einwandfrei betrieben werden kann. If a motor vehicle with a fuel cell is parked in the winter at low ambient temperatures, then it may happen that water contained in the fuel cell system freezes. Before the regular operation of the motor vehicle, the fuel cell system is conditioned for operation. For this, the frozen water should be removed from the fuel cell system. In particular, it may happen that a frozen anode rinse valve can not be operated properly.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Es ist insbesondere eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welches vergleichsweise schnell und sicher in Betrieb genommen werden kann, wobei bevorzugt die Kosten und/oder der Platzbedarf für die Komponenten des Brennstoffzellensystems nicht ansteigen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar. It is a preferred object of the technology disclosed herein to reduce or eliminate at least one disadvantage of the previously known solutions. It is in particular an object of the technology disclosed here to provide a fuel cell system which can be put into operation comparatively quickly and safely, wherein preferably the costs and / or the space required for the components of the fuel cell system do not increase. Other preferred objects may result from the beneficial effects of the technology disclosed herein. The object (s) is / are solved by the subject matter of the independent claims. The dependent claims are preferred embodiments.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff (z.B. Wasserstoff) und Oxidationsmittel (z.B. Luft, Sauerstoff und Peroxide) in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. The technology disclosed herein relates to a fuel cell system having at least one fuel cell. The fuel cell system is intended, for example, for mobile applications such as motor vehicles, in particular for providing the energy for at least one drive machine for locomotion of the motor vehicle. In its simplest form, a fuel cell is an electrochemical energy converter that converts fuel (e.g., hydrogen) and oxidants (e.g., air, oxygen, and peroxides) into reaction products, thereby producing electricity and heat.
Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst. A fuel cell system comprises, in addition to the at least one fuel cell, peripheral system components (BOP components) which can be used during operation of the at least one fuel cell. As a rule, several fuel cells are combined to form a fuel cell stack or stack.
Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodensubsystem, das von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems ausgebildet wird. Ein Anodensubsystem kann mindestens einen Druckbehälter, mindestens einen Druckminderer, mindestens eine zum Anodeneinlass führende Anodenzuleitung, einen Anodenraum im Brennstoffzellenstapel, mindestens eine vom Anodenauslass wegführende Anodenabgasleitung, mindestens einen Wasserabscheider (= AWS), mindestens ein Anodenspülventil (= APV), mindestens ein aktive oder passive Brennstoff-Rezirkulationsförderer (= ARE bzw ARB) und/oder mindestens eine Rezirkulationsleitung sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas. The fuel cell system includes an anode subsystem formed by the fuel-bearing components of the fuel cell system. An anode subsystem may include at least one pressure vessel, at least one pressure reducer, at least one anode inlet leading to the anode inlet, an anode space in the fuel cell stack, at least one anode exhaust line leading away from the anode outlet, at least one water purge (= AWS), at least one anode purge valve (= APV), at least one active or passive fuel recirculation conveyor (= ARE or ARB) and / or at least one recirculation line and further elements. The main task of the Anodensubsystems is the introduction and distribution of fuel to the electrochemically active surfaces of the anode compartment and the removal of anode exhaust gas.
Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer, mindestens eine zum Kathodeneinlass führende Kathodenzuleitung, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgasleitung, einen Kathodenraum im Brennstoffzellenstapel, sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von Oxidationsmittel. The fuel cell system includes a cathode subsystem. The cathode subsystem is formed from the oxidant-carrying components. A cathode subsystem may comprise at least one oxidant promoter, at least one cathode feed line leading to the cathode inlet, at least one cathode waste gas line leading away from the cathode outlet, a cathode space in the fuel cell stack, and further elements. The main task of the cathode subsystem is the introduction and distribution of oxidant to the electrochemically active surfaces of the cathode compartment and the removal of oxidant.
Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem umfasst insbesondere einen Wasserabscheider. Der Wasserabscheider umfasst mindestens einen Strahler. Der Strahler ist ausgebildet, mittels elektromagnetischer Strahlung im Wasserabscheider enthaltenes Wasser zu erwärmen. Insbesondere kann der Strahler derart ausgebildet und angeordnet sein, dass er das Wasser Abtauen und/oder erhitzen, bevorzugt verdampfen kann. The fuel cell system disclosed herein includes, in particular, a water separator. The water separator comprises at least one radiator. The radiator is designed to heat water contained in the water separator by means of electromagnetic radiation. In particular, the radiator can be designed and arranged such that it can defrost the water and / or heat, preferably evaporate.
Bevorzugt emittiert der Strahler eine elektromagnetische Strahlung, die eine Wellenlänge von 3000 mm bis 0,1mm, besonders bevorzugt von 300 mm bis 1 mm, aufweist. Bevorzugt kommt also ein Mikrowellenstrahler zum Einsatz. Preferably, the radiator emits an electromagnetic radiation having a wavelength of 3000 mm to 0.1 mm, more preferably from 300 mm to 1 mm. Preferably, therefore, a microwave radiator is used.
Der mindestens eine Strahler kann seitlich vom Wasserabscheider angeordnet sein. Bevorzugt ist der Strahler an der Außenwand des Wasserabscheiders angebracht. Dies muss aber nicht so sein. Besonders bevorzugt ist der Strahler derart angeordnet, dass er Wasser unmittelbar benachbart zum Wasserabscheiderauslass erwärmen kann. Bevorzugt ist der Strahler daher benachbart zum Wasserabscheiderauslass angeordnet. The at least one radiator can be arranged laterally from the water separator. Preferably, the radiator on the outer wall of the Water separator attached. But that does not have to be this way. Particularly preferably, the radiator is arranged such that it can heat water immediately adjacent to the Wasserabscheiderauslass. The emitter is therefore preferably arranged adjacent to the water separator outlet.
Der Wasserabscheider kann im Abgaspfad des Brennstoffzellensystems angeordnet sein. Der Abgaspfad des Brennstoffzellensystems kann ein Abgaspfad des Anodensubsystems und/oder des Kathodensubsystems sein. Der Abgaspfad ist dabei der Pfad, der stromab vom Anodenauslass bzw. vom Kathodenauslass des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Der Abgaspfad kann direkt oder indirekt in die Umgebung münden und/oder ein rezirkulierender Pfad sein. The water separator may be arranged in the exhaust path of the fuel cell system. The exhaust path of the fuel cell system may be an exhaust path of the anode subsystem and / or the cathode subsystem. The exhaust path is the path which is arranged downstream of the anode outlet or from the cathode outlet of the fuel cell stack. The exhaust path may directly or indirectly open into the environment and / or be a recirculating path.
Die offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren zum Beheizen des hier offenbarten Wasserabscheiders, insbesondere während des Kaltstarts eines Brennstoffzellensystems. Das Verfahren umfasst den Schritt:
Bestrahlen des Wasserabscheiders mit elektromagnetischer Strahlung, so dass sich im Wasserabscheider angesammeltes Wasser erwärmt. Insbesondere wird das Wasser so bestrahlt, dass im Wasserabscheider enthaltene Moleküle zu Dipol- und Multipolschwingungen angeregt werden. The disclosed technology further relates to a method of heating the water trap disclosed herein, particularly during cold start of a fuel cell system. The method comprises the step:
Irradiating the water separator with electromagnetic radiation, so that heats up in the water collected water. In particular, the water is irradiated so that molecules contained in the water separator are excited to dipole and multipole oscillations.
Ferner kann das hier offenbarte Verfahren den Schritt umfassen, wonach die elektromagnetische Strahlung eine Wellenlänge von 3000 mm bis 0,1mm, besonders bevorzugt von 300 mm bis 1 mm, aufweist. Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach die elektromagnetische Strahlung durch mindestens einen Strahler erzeugt wird. Das hier offenbarte Verfahren kann ferner den Schritt umfassen, wonach der mindestens eine Strahler seitlich vom Wasserabscheider und/oder benachbart zum Wasserabscheiderauslass angeordnet ist. Further, the method disclosed herein may include the step of having the electromagnetic radiation at a wavelength of 3000 mm to 0.1 mm, more preferably from 300 mm to 1 mm. The method disclosed herein may include the step of generating the electromagnetic radiation by at least one radiator. The method disclosed herein may further comprise the step of arranging the at least one radiator laterally of the water separator and / or adjacent to the water separator outlet.
Mit anderen Worten liegt der hier offenbarten Technologie die Idee zugrunde, dass in einem Wasserabscheider angesammelte Wasser bzw. Eis durch die elektrische Strahlung zu erwärmen bzw. zu schmelzen. In other words, the technology disclosed here is based on the idea that the water or ice accumulated in a water separator is heated or melted by the electrical radiation.
Durch die hier offenbarte Technologie ist es möglich, dass das Wasser bzw. Eis nicht durch von außen eingebrachte Wärme mittels Wärmeleitung erwärmt wird, sondern dass in dem Wasser bzw. Eis die Wärme direkt dort entsteht, wo sie benötigt wird. Im Vergleich zu vorbekannten Verfahren kann somit schneller und mit einem besseren Wirkungsgrad das Wasser bzw. Eis erwärmt bzw. geschmolzen werden. By the technology disclosed here, it is possible that the water or ice is not heated by externally introduced heat by means of heat conduction, but that in the water or ice, the heat arises directly where it is needed. Compared to previously known methods, the water or ice can thus be heated or melted faster and with better efficiency.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen: The technology disclosed herein will now be explained with reference to the figures. Show it:
Die
Alternativ kann aus dem Anodensubsystem abzuführendes Gas mit dem Kathodenabgas in einer Mischkammer (oft „Diluter“ genannt) zusammengeführt werden. In einem solchen Fall kann vorgesehen sein, dass der Wasserabscheider
Das Steuergerät
Die
Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Abgaspfad, der/ein Wasserabscheider, der/ein Strahler, die/eine Wasserablassöffnung, der/ein proximale bzw. distale Bereich, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Abgaspfad, der mindestens eine Wasserabscheider, der mindestens eine Strahler, die mindestens eine Wasserablassöffnung, der mindestens eine proximale bzw. distale Bereich, etc.). Die hier offenbarte Technologie ist nicht beschränkt auf das Temperieren während des Herunterfahrens und Anfahrens des Brennstoffzellenbetriebs. Ebenso kann der mindestens eine Strahler während der Ruhephase und/oder während des normalen Betriebs der Brennstoffzelle dazu genutzt werden, den Wasserabscheider zu temperieren. For the sake of legibility, the term "at least one" has been omitted for simplicity. If a feature of the technology disclosed herein is singularized (eg, the / an exhaust path, the / a water trap, the / a radiator, the / a water drain port, the / a proximal or distal region, etc.) so At the same time, the majority of them should also be disclosed (eg the at least one exhaust path, the at least one water separator, the at least one radiator, the at least one water drainage opening, the at least one proximal or distal region, etc.). The technology disclosed herein is not limited to tempering during shutdown and startup of fuel cell operation. Likewise, the at least one radiator can be used during the rest phase and / or during normal operation of the fuel cell to temper the water separator.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen. The foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only, and not for the purpose of limiting the invention. Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents.
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- 2016-07-27 DE DE102016213836.7A patent/DE102016213836A1/en active Pending
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