DE102017110093A1

DE102017110093A1 - Brennstoffzellen-spülkanalsystem

Info

Publication number: DE102017110093A1
Application number: DE102017110093.8A
Authority: DE
Inventors: Craig Michael Mathie; William F. Sanderson jun.; Seha Son; Virgo W. Edwards; Valentina Mejia Mejia
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-05-18
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2017-11-23
Also published as: CN107452976B; CN107452976A

Abstract

Ein Brennstoffzellenanoden-Spülkanal umfasst einen länglichen Wasserspülungskörper mit einem einzelnen Einlassbereich, einem einzelnen Auslassbereich mit einem Auslassventil und einen Spülbehälter, der konfiguriert ist, um Wasser anzusammeln und den Einlass- und Auslassbereich fluidisch zu verbinden, um einen Strom von Spülgas vom Einlassbereich durch den Behälter zu führen, so dass das Spülgas das Wasser im Strom mitreißt und das Wasser in Richtung zum Auslassventil transportiert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-Spülkanalsystem.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Während des Betriebs einer Brennstoffzelle können sich Nebenprodukte, wie Produktwasser und Stickstoff sowie nicht verbrauchter Wasserstoff, an der Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels aufbauen. In bestimmten bekannten Systemen wird die Anhäufung von Produktwasser und Stickstoff versuchsweise gesteuert, um eine Verringerung der Brennstoffzellenleistung und/oder ein Abschalten des Brennstoffzellensystems zu vermeiden. Eine bekannte Herangehensweise ist, das Wasser und den Stickstoff über einen Durchgang stromabwärts des Brennstoffzellenstapels freizusetzen. Bei dieser Herangehensweise ist der Durchgang mit einem Ventil für die steuerbare Freisetzung von Wasser und Stickstoff vom Brennstoffzellenstapel verbunden. Diese Herangehensweise beinhaltet jedoch potentielle Probleme, die bei einem Betrieb der Brennstoffzelle bei kaltem Wetter auftreten können, wenn Wasser im Durchgang, im Ventil oder in anderen Bereichen der Brennstoffzelle mit kleinen Querschnittsbereichen einfrieren kann. Die dadurch entstehende Eisbildung kann eine Blockierung zumindest eines Teils des Durchgangs verursachen und einen Fluidstrom (z. B. Wasser- oder Stickstoffausscheidung) verhindern, was die Funktion des Brennstoffzellensystems behindern kann.
KURZDARSTELLUNG
In einer Ausführungsform wird ein Brennstoffzellen-Spülkanal offenbart. Der Spülkanal kann einen länglichen Wasserspülungskörper mit einem einzelnen Einlassbereich, einem einzelnen Auslassbereich mit einem Auslassventil und einen Spülbehälter umfassen. Der Spülbehälter kann konfiguriert sein, um Wasser anzusammeln und den Einlass- und Auslassbereich fluidisch zu verbinden, um so einen Spülgasstrom vom Einlassbereich durch den Behälter zu führen, so dass das Spülgas das Wasser im Strom mitreißt und das Wasser zum Auslassventil transportiert. Der Einlassbereich kann eine Venturi-Düse umfassen. Die Venturi-Düse kann die Geschwindigkeit des Spülgases, das das Wasser im Behälter zusammendrückt, erhöhen, so dass das Spülgas einen Stahl bildet, der eine Wassermenge, die in Richtung zum Auslassventil transportiert wird, erhöhen kann. Der Einlassbereich kann einen Durchmesser d₁, aufweisen und die Venturi-Düse kann eine Öffnung mit einem Durchmesser d₂ aufweisen, wobei d₂ gleich 1/6 bis 1/2 von d₁ ist. Die Venturi-Düse kann eine hydrophobe Beschichtung enthalten. Die Venturi-Düse kann in einem untersten Abschnitt des Einlassbereichs direkt angrenzend an den Spülbehälter liegen. Die Venturi-Düse kann im Einlassbereich nicht höher liegen als die Position, die der Strahl erreichen soll. Der Spülbehälter kann zylindrisch sein. Der Spülkanal kann ferner eine Spülgas-Bypassleitung umfassen, die den Einlass- und Auslassbereich verbindet. Die Spülgas-Bypassleitung kann stromaufwärts des Spülbehälters angeordnet sein, so dass das Spülgas vom Einlassbereich zum Auslassventil strömt, ohne mit dem Behälter in Kontakt zu kommen. Der Einlass der Spülgas-Bypassleitung kann angrenzend an die Venturi-Düse angeordnet sein. Der Durchmesser der Spülgas-Bypassleitung kann kleiner als ein Durchmesser des Spülbehälters sein. Die Spülgas-Bypassleitung kann eine Venturi-Düse umfassen, die angrenzend an einen Auslass der Bypassleitung liegt, um einen Niederdruckbereich zu erzeugen.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Brennstoffzellenanoden-Spülgaskanal offenbart. Der Spülgaskanal kann einen Einlassbereich, einen Auslassbereich mit einem Auslassventil und einen Spülbehälter umfassen. Der Spülbehälter kann konfiguriert sein, um ein Anodenspülgas vom Einlassbereich durch den Behälter zum Auslassventil strömen zu lassen, so dass der Strom jegliches Wasser, das sich im Behälter angesammelt hat, physisch entfernt. Der Spülgaskanal kann ferner eine Venturi-Düse umfassen, die in dem Einlassbereich liegt und ausgelegt ist, eine Menge an Wasser, das aus dem Spülbehälter in Richtung zum Auslassventil entfernt wird, zu erhöhen. Der Einlassbereich weist einen Durchmesser d₁ auf und die Venturi-Düse enthält eine Öffnung mit einem Durchmesser d₂, wobei d₂ gleich 1/6 bis 1/2 von d₁ ist. Der Spülgaskanal kann ferner eine Spülgas-Bypassleitung umfassen, die den Einlass- und Auslassbereich direkt verbindet. Die Spülgas-Bypassleitung kann stromaufwärts des Spülbehälters angeordnet sein, so dass das Spülgas vom Einlassbereich zum Auslassventil strömt, ohne mit dem Behälter in Kontakt zu kommen. Der Durchmesser der Spülgas-Bypassleitung kann kleiner als ein Durchmesser des Spülbehälters sein.
In noch einer weiteren Ausführungsform wird ein Brennstoffzellenanoden-Spülkanal-Wasserspülungsbehälter offenbart. Der Wasserspülungsbehälter kann einen Einlass, einen Auslass, einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt umfassen. Der obere Abschnitt kann über einem Wasserspiegel liegen und konfiguriert sein, um einen ersten Teil des Spülgases vom Einlass durch eine gesamte Länge des Behälters zum Auslassventil zu führen. Der untere Abschnitt kann unter dem Wasserspiegel liegen und konfiguriert sein, um das Wasser in einem zweiten Teil des Spülgases, das vom Einlass durch die gesamte Länge des Behälters unterhalb des Wasserpegels geführt wird, mitzureißen, so dass das Wasser zum Auslassventil transportiert wird. Der Wasserspülungsbehälter kann ferner eine Venturi-Düse umfassen, die in dem Einlass liegt, um eine Menge des Wassers, das in Richtung zum Auslassventil transportiert wird, zu erhöhen. Der Einlassbereich kann einen Durchmesser d₁ aufweisen und die Venturi-Düse kann eine Öffnung mit einem Durchmesser d₂ aufweisen, wobei d₂ gleich 1/6 bis 1/2 von d₁ ist. Der Wasserspülungsbehälter kann ferner eine Spülgas-Bypassleitung umfassen, die den Einlass- und Auslassbereich verbindet. Die Spülgas-Bypassleitung kann stromaufwärts des Wasserspülungsbehälters angeordnet sein, so dass das Spülgas vom Einlass zum Auslassventil strömt, ohne mit dem Behälter in Kontakt zu kommen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A zeigt eine isolierte, perspektivische Ansicht eines Spülbehälters einer oder mehrerer Ausführungsform(en);
1B zeigt eine schematische Zeichnung eines Brennstoffzellensystems und eine Querschnittsansicht des Spülbehälters der 1A entlang der Linie 1B-1B;
1C zeigt eine Längsquerschnittsansicht eines alternativen Spülbehälters gemäß einer weiteren Ausführungsform;
1D zeigt eine Längsquerschnittsansicht eines Spülbehälters;
1E zeigt eine Längsquerschnittsansicht eines Spülbehälters;
1F zeigt eine Querschnittsansicht des Spülbehälters der 1A entlang der Linie 1F-1F;
2 zeigt eine Variation des in 1B bezeichneten Brennstoffzellensystems mit einem zusätzlichen Reinigungsdurchgang;
3A–3G zeigen einige Variationen einer Querschnittsansicht eines Spülbehälters;
4A zeigt eine Längsquerschnittsansicht eines Spülbehälters mit einer Venturi-Düse;
4B zeigt eine Längsquerschnittsansicht eines Spülbehälters mit einer Blende;
5 zeigt eine Längsquerschnittsansicht eines Spülbehälters mit einer Spülgas-Bypassleitung; und
6 zeigt eine Längsquerschnittsansicht eines Spülbehälters mit einer Venturi-Düse in Kombination mit einer Spülgas-Bypassleitung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nun wird im Detail auf Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung, die den Erfindern bekannt sind, Bezug genommen. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen rein exemplarisch für die vorliegende Erfindung stehen, welche in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Dementsprechend sind hierin offenbarte konkrete Einzelheiten nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Basis, um einen Fachmann eine vielfältige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren.
Wenn nicht ausdrücklich anders angegeben, sind alle numerischen Mengen in dieser Beschreibung, die Mengen an Material oder Reaktionsbedingungen und/oder Verwendung angeben, als durch das Wort "ungefähr" modifiziert zu verstehen, um den breitesten Umfang der vorliegenden Erfindung zu beschreiben.
Die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien als geeignet für einen bestimmten Zweck in Verbindung mit einer oder mehreren Ausführungsformen impliziert, dass Mischungen von zwei oder mehr der Elemente der Gruppe oder Klasse geeignet sind. Die Beschreibung von Bestandteilen in chemischen Formeln bezieht sich auf die Bestandteile zum Zeitpunkt der Hinzufügung zu jeder beliebigen Kombination, die in der Beschreibung dargelegt ist, und schließt chemische Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen der Mischung, nachdem sie gemischt wurden, nicht unbedingt aus. Die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgenden Verwendungen der gleichen Abkürzung und gilt sinngemäß für normale grammatikalische Variationen der ursprünglich definierten Abkürzung. Solange nichts Gegenteiliges angemerkt ist, wird die Messung einer Eigenschaft durch die gleiche Technik bestimmt, die vorher oder nachher für die gleiche Eigenschaft bezeichnet wurde.
Während des Betriebs einer Brennstoffzelle können sich Produktwasser, übrig gebliebener Brennstoff, wie Wasserstoff, und Nebenprodukte, wie Stickstoff, an der Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels ansammeln. Es wurden Versuche durchgeführt, um das flüssige Produktwasser und Nebenprodukte zu entfernen und den übrig gebliebenen Wasserstoff und Wasserdampf wiederzuverwenden. Eine Herangehensweise ist, solche Bestandteile in einem Abscheider stromabwärts des Brennstoffzellenstapels zu sammeln, flüssiges Wasser abzutrennen und das Wasser zu einem kombinierten Reinigungs- und Ableitungsdurchgang zu führen, während die übrigen Bestandteile über einen Rückführungsdurchgang zum Brennstoffzellenstapel zurückgeführt werden. Der kombinierte Reinigungs- und Ableitungsdurchgang ist gegenüber der Umgebungsluft mittels eines einzelnen Ventils geschlossen. Dieses Ventil wird periodisch geöffnet, um das flüssige Produktwasser abzulassen und die Anode von Nebenprodukten, wie Stickstoff, zu reinigen. Jedoch stellt die Kombination der Reinigungs- und Ableitungsfunktionen in einen einzelnen Durchgang, der von einem einzelnen Ventil verschlossen wird, ein deutliches Risiko für eine Eisbildung und Blockade des Reinigungs- und Ableitungsstroms dar, wenn restliches Produktwasser einfriert, wenn es kalten Umgebungstemperaturen ausgesetzt ist. Die Möglichkeit einer Eisbildung ist ein dringliches Anliegen bei kalten Umgebungstemperaturen unter 0ºC. Wenn die Reinigungs- und Ableitungsfunktionen durch eine Verstopfung mit Eis behindert werden, dann verschlechtert sich die Leistung des Brennstoffzellensystems, möglicherweise bis zu dem Punkt, dass das System abschaltet.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten, wie nachfolgend beschrieben wird, eine Lösung für eines oder mehrere der oben identifizierten Probleme. Eine oder mehrere Ausführungsform(en) bieten eine Verringerung der Systemkomplexität, indem neue Strukturen in einen vorhandenen Reinigungsdurchgang mit aufgenommen werden, wodurch die Verwendung mehrerer Ventile und Durchgänge für eine Inbetriebnahmestabilität vermieden wird, und somit Hardware und Steuerungssoftware bei einem Minimum gehalten werden. Eine Verringerung der Komplexität kann zu einer Verringerung der Herstellungskosten, einer Verringerung des Systemgewichts und/oder einer Verringerung des Auftretens von Ausfällen führen.
In einer oder mehreren Ausführungsform(en) ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Spülungsbehälter, auch als Spülbehälter bezeichnet, der stromabwärts eines Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, offenbart. Der Spülbehälter kann einen oder mehrere der folgenden Vorteile bieten: (1) eine Verringerung und/oder Beseitigung einer Blockierung des Reinigungsdurchgangs aufgrund einer Eisbildung und (2) eine Verringerung der Anzahl von Ventilen zum Reinigen von Stickstoff als auch Wasser. In manchen Fällen können Stickstoff, Wasser und Wasserstoff durch den gleichen Durchgang strömen, der den Spülbehälter mit einem einzelnen nachgelagerten Ventil nutzt. Diese Herangehensweise kann alternativ als integrierte Reinigungs- und Ableitungsfunktion bezeichnet werden. Diese Herangehensweise unterstützt die Bemühungen, ein wirtschaftlich realisierbares Brennstoffzellensystemdesign zu erhalten, das in der Lage ist, bei sehr kalten Umgebungsbedingungen durchgängig zu starten, während die Kosten reduziert und der Wirkungsgrad verbessert wird. Zusätzlich, und wie hierin genauer beschrieben, läuft das Produktwasser weniger Gefahr, eine Eisblockade bei kalten Wetterbedingungen zu verursachen.
In einer oder mehreren Ausführungsform(en), und wie in 1A und 1B gezeigt, kann ein Brennstoffzellensystem, das in 1B allgemein mit 100 bezeichnet ist, einen Brennstoffzellenstapel 102, einen Abscheider 104 stromabwärts des Brennstoffstapels 102 und über einen Durchgang 130 mit diesem in Fluidverbindung, und einen Spülbehälter 106 stromabwärts des Abscheiders 104 und mit diesem in Fluidverbindung, umfassen, wobei der Spülbehälter 106 einen Einlassbereich 116, einen Auslassbereich 126 und einen Mittelbereich 136, der zwischen dem Einlassbereich 116 und dem Auslassbereich 126 angeordnet ist, umfasst. Die untere Fläche des Einlassbereichs 116 ist mit einem Einlasswinkel in Bezug auf die untere Fläche des Mittelbereichs 136 angeordnet. Der untere Auslassbereich 126 ist mit einem Auslasswinkel α2 in Bezug auf die untere Fläche des Mittelbereichs 136 angeordnet. Ein Ventil 108 ist stromabwärts des Behälters 106 angeordnet. Wie hierin beschrieben, kann der Aufbau des Spülbehälters 106 einen Durchgang, der sich den gesamten Weg vom Stapel 102 zum Ventil 108 oder zumindest vom Abscheider 104 zum Ventil 108 erstreckt, und das Ventil 108 bei kalten Wetterbedingungen eisfrei halten.
Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems können Produktwasser, Stickstoff und übrig gebliebener Wasserstoff vom Brennstoffzellenstapel 102 über den Durchgang 130 in den Abscheider 104 strömen. In dem Abscheider 104 wird das Produktwasser vom übrig gebliebenen Wasserstoff und Stickstoff getrennt. Das Produktwasser tritt durch den Durchgang 134 aus dem Abscheider 104 aus. In manchen Fällen, und wie in 1B dargestellt, kann der abgetrennte Wasserstoff über einen Wasserstoffrückführungsdurchgang 132 zum Brennstoffzellenstapel 102 zurückgeführt werden.
In einer nicht einschränkenden Ausführungsform kann der Spülbehälter 106 als eine abnehmbare Einheit mit Abmessungen, die jedem beliebigen Brennstoffzellensystem, bei dem ein Einfrieren des Wassers ein Problem sein kann, entsprechen können, ausgebildet sein. Der Spülbehälter 106 kann auch in den Boden des Wasserniederschlags selbst integriert sein. Der Spülbehälter 106 kann eine einstückige einzelne Einheit, optional durch Spritzgießen gebildet, sein. Ein Vorteil einer solchen Konfiguration ist, dass der bevorzugte Flüssigkeitsschwund an den abgewinkelten und verjüngten Abschnitten verringert werden kann, die ansonsten Schweißen und/oder Löten zur Verbindung benötigen würden. Jedoch können der Einlass 116, der Auslass 126 und die Mittelbereiche 136 verbindbare Teile sein, mit Größen und aus Materialien, die getrennt für jedes Brennstoffzellensystem angepasst werden können. Zum Beispiel kann der Mittelbereich 136 einen Querschnittsdurchmesser aufweisen, der größer, gleich oder kleiner als derjenige des Einlassbereichs 116 oder des Auslassbereichs 126 sein kann. Zum Beispiel kann der Mittelbereich 136 auch so gewählt werden, dass er aus einem Material gebildet ist, das sich von dem des Einlassbereichs 116 oder des Auslassbereichs 126 unterscheidet.
Durch Verringern der Gesamtanzahl der Ventile auf ein Ventil, welches das kombinierte Spül- und Ablassventil 108 ist, und durch Nutzen des Spülbehälters 106 stromaufwärts des Ventils 108, bietet die vorliegende Offenbarung in einer oder mehreren Ausführungsform(en) einen Synergieeffekt aus Verhinderung der Eisblockade und Ausspülen von Produktwasser.
In einer oder mehreren Ausführungsform(en) kann sich der Begriff "Spülung" oder "spülen" auf den Vorgang des Strömens des Anodenreinigungs- und Ableitungsgasstroms über und durch das angesammelte flüssige Wasser, um das Wasser physisch zu entfernen, beziehen. Der Gasstrom wird somit verwendet, um das Wasser in dem Gasstrom auszuspülen oder mitzureißen, wobei der Gasstrom verwendet wird, um das Wasser aus dem System heraus zu transportieren. Der Reinigungs- und Ableitungsgasstrom kann als das Anodenspülgas oder Spülgas bezeichnet werden. Das Spülgas kann Stickstoff, Wasserdampf, flüssiges Wasser und übrig gebliebenen Wasserstoff enthalten. Das Spülgas kann im Wesentlichen frei von Wasserstoff sein.
Der Spülbehälter 106 kann mit einer Anode des Brennstoffzellenstapels 102 oder einer Kathode des Brennstoffzellenstapels 102 in Fluidverbindung stehen. Wenn er in Fluidverbindung mit der Kathode verwendet wird, kann der Spülbehälter 106 dazu beitragen, dass Teile, wie ein elektronischer Drosselkörper, nicht einfrieren.
Der Spülbehälter 106, und genauer dessen Mittelbereich 136, ist entlang der Richtung der Schwerkraft stromabwärts des Abscheiders 104 und unter diesem angeordnet, so dass Wasser durch die Schwerkraft in den Spülbehälter 106 ablaufen kann. Entlang dieses Durchgangs sollte ein Ventil 108, das stromabwärts des Spülbehälters 106 angeordnet ist, an einer Position über dem Spülbehälter 106 entlang der Richtung der Schwerkraft angeordnet sein, so dass jegliches Wasser, das ansonsten auf dem oder um das Ventil 108 zurückbleiben würde, sich dann in dem Mittelbereich 136 ansammelt. Das Wasser sollte sich in dem Mittelbereich 136 derart ansammeln, dass ein Gasdurchtritt durch den Mittelbereich 136 zugelassen wird, auch wenn das angesammelte Wasser Eis bildet. Das Ventil 108 kann ein geschlossenes Magnetventil sein. Jede andere geeignete Art von Ventil kann in Betracht gezogen werden.
1C zeigt einen Spülbehälter 106', wobei Wasser oder Eis 140 dargestellt ist, das sich auf der unteren Fläche 142 des Mittelbereichs 136' ansammelt, mit einem klaren Strömungspfad über der Wasser- oder Eisansammlung. Während der Stickstoffreinigungs- und Wasserableitungsvorgänge lässt der Strom von warmen Anodennebenprodukten das Eis schmelzen und reißt flüssiges Wasser, das sich im Mittelbereich 136' angesammelt hat, mit. Das mitgerissene Wasser wird zum Auslassbereich 126' und in Richtung zum Ventil 108 transportiert. Bei dieser Konfiguration können das Produktwasser und das Stickstoffgas im Wesentlichen gleichmäßig bei Anwesenheit von Eis in dem Durchgang abgeführt werden. Dieser Aufbau bietet somit einen Synergieeffekt dadurch, dass nicht nur das Stickstoffgas und das Produktwasser über einen einzelnen Durchgang mit einem einzelnen nachgeordneten Ventil abgeführt werden können, um die Systemkomplexität und die Wartungskosten zu verringern, sondern auch eine eingebaute Erwärmung und Schmelzung bereitgestellt wird, die über die Fluidmischung, die durch den Spülbehälter 106' hindurchtritt, bewirkt wird. Der Übergang vom Einlassbereich 110' zum Mittelbereich 136' ist fließend.
1D und 1E zeigen Spülbehälter 106'' und 106''' gemäß alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Bezugnehmend auf 1D und 1E können die Einlassenden 110'' und 110''', die in die Behälter 106'' und 106''' übergehen, im Wesentlichen kreisförmig oder nahezu kreisförmig sein. Wie in 1D gezeigt, weist der Behälter 106'' einen Mittelbereich 136'' mit nahezu rechteckigem Querschnitt auf. Der Übergang vom Einlassende 110'' in den Mittelbereich 136'' ist kein fließender Übergang. 1E zeigt den Behälter 106''' mit einem allmählich abnehmenden Übergang von dem Einlassende 110''' in den Mittelbereich 136'''.
Verschiedene Faktoren können bei der Formgebung des Spülbehälters berücksichtigt werden. Diese Faktoren können die Ausgestaltung der Einlass- und Auslasswinkel, die Einlass-, Auslass und Behälterquerschnittsbereiche, und die Länge, Breite und Tiefe jedes Abschnitts des Spülbehälters in Reaktion auf Durchflusseigenschaften beinhalten, die selbst eine Funktion einer Belastung, die durch den Nutzungszyklus vorgegeben ist, sind. Im Allgemeinen sollte der Spülbehälter in seine Abmessungen so ausgelegt sein, dass eine ausreichende Speicherung von Produktwasser während einer Befüllung bewirkt wird, um eine Systemblockade beim nachfolgenden Inbetriebnahmeversuch zu vermeiden. In bestimmten Ausführungsformen sollten die Winkel des Einlasses zum und des Auslasses vom Behälter nach oben gewandt sein, um ein Ableiten von Wasser durch Schwerkraft in den Behälter zum Speichern und Einfrieren zu erleichtern. Weiterhin sollten die Position des Wassers und des in einem Fahrzeug eingebauten Anodenniederschlag-Spülkanals auch eine Steigung der Straße berücksichtigen. Zum Beispiel sollten die Winkel des Einlasses zum und Auslasses vom Behälter groß genug sein, um eine Steigung der Straße von ±17º zu bewältigen, um ein Ableiten von Wasser durch Schwerkraft in den Behälter zum Speichern und Einfrieren zu erleichtern. Der Fachmann weiß, dass eine Steigung der Straße stark schwanken kann, von nahezu eben bis zu Bergstraßen mit steilen Anstiegen und Gefällen, die ±3º, ±5º, ±8º, ±11º, ±15º, ±18º, ±21º, und ±25º übersteigen können, so dass die Winkel des Einlasses zum und des Auslasses vom Behälter dahingehend groß genug sein sollten, um diese zu überwinden.
Der Einlassbereich, der Auslassbereich und/oder der Mittelbereich können jeweils mit jeglichen geeigneten geometrischen Charakteristiken strukturiert sein, einschließlich Rippen und Schaufeln, die den Fluidstrom begradigen oder ausrichten können, oder dem Fluidstrom sogar eine Verwirbelung zufügen können. Eine solche Manipulation des Fluidstroms kann die Spülungswirkung während des Betriebs verbessern oder könnte verwendet werden, um den Wasserstrom während eines Nichtbetriebs vor dem Einfrieren auszurichten.
In einer oder mehreren Ausführungsform(en) sollte sich das Wasser vollständig oder erheblich in dem Mittelbereich 136 derart ansammeln, dass ein Gasdurchtritt durch den Mittelbereich 136 zugelassen wird, auch wenn das angesammelte Wasser Eis bildet. Die Menge an Wasser, die sich in dem Mittelbereich 136 befindet, schwankt und definiert einen Wasserspiegel. Der Wasserspiegel wiederum definiert den unteren Abschnitt 144 und den oberen Abschnitt 146 des Mittelbereichs 136 oder des Behälters 106. Der Wasserspiegel, die unteren Abschnitte 144', 144'' und die oberen Abschnitte 146', 146'' sind in 1C und 1D dargestellt. Der obere Abschnitt 146, der über dem Wasserspiegel liegt, kann frei von Wasser bleiben, so dass mindestens ein Teil des Spülgases uneingeschränkt durch die gesamte Länge des Mittelbereichs 136 oder Behälters 106 strömen kann. Der untere Abschnitt 144 liegt unter dem Wasserspiegel und der mindestens eine Teil des Spülgases kann durch das Wasser in dem unteren Abschnitt 144 strömen, das Wasser mitreißen und das mitgerissene Wasser zum Auslassbereich 126 und zum Ventil 108 transportieren.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1B kann der Einlassbereich 116 als eine im Wesentlichen zylindrische oder zylindrische Struktur konfiguriert sein, die ein erstes Ende 110 und ein zweites Ende 112 mit einer Einlasslänge Ln1, gemessen entlang der Mittellinienachse L1, enthält. In bestimmten Ausführungsformen hat die Einlasslänge Ln1 des Einlassbereichs 116 einen Wert von ungefähr 1,27 cm bis 25,4 cm, 2,54 cm bis 12,7 cm oder 5,08 cm bis 7,62 cm. Die Mittellinienachse des Mittelbereichs 136 ist mit L2 bezeichnet und die Mittellinienachse des Auslassbereichs 126 ist mit L3 bezeichnet. In bestimmten Ausführungsformen stellt die Kombination der Mittellinienachsen L1, L2 und L3 eine Längsachse des Spülbehälters dar. Ferner können die Querschnittsansichten der Spülbehälter 106, 106', 106'' und 106''', die jeweils in 1B, 1C, 1D bzw. 1E dargestellt sind, als seitliche Querschnittsansichten betrachtet werden.
Weiterhin bezugnehmend auf 1B kann der Einlasswinkel α1 ein Winkel sein, der durch eine untere Fläche des Längsquerschnitts des Einlassbereichs 116 und eine untere Fläche des Längsquerschnitts des Mittelbereichs 136 definiert wird. Der Auslasswinkel α2 kann ein Winkel sein, der durch eine untere Fläche des Längsquerschnitts des Mittelbereichs 136 und eine untere Fläche des Längsquerschnitts des Auslassbereichs 126 definiert wird. Der Einlasswinkel α1, der Auslasswinkel α2 oder beide können so konfiguriert sein, dass sie ein Führen des Wassers in den Mittelbereich 136 während Befüllungsvorgängen erleichtern. Dies hilft dabei, dass sich Eis am Mittelbereich 136 und entfernt von einem Durchgang oder Durchgängen, die empfindlicher gegenüber Überbrückung und Blockade sind, bilden kann.
Der Einlasswinkel α1, der Auslasswinkel α2 oder beide können größer als ca. 90° und kleiner als ca. 155,5° sein. In manchen Fällen sind der Einlasswinkel α1, der Auslasswinkel α2 oder beide zwischen ungefähr 100° bis 155,5°, 120° bis 155,5°, 130 bis 155,5°, oder 140° bis 155,5°.
Dieser Absatz bezieht sich auf den Einbau des kombinierten Wasser- und Anodenniederschlag-Spülkanals in einer Brennstoffzelle innerhalb eines Fahrzeugs. Die Mittellinienachse L2 des Mittelbereichs 136 kann in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft in einem Winkel von ungefähr 65,5° bis 114,5°, 70° bis 110°, oder 85° bis 95° angeordnet sein. Der Mittelbereich 136 dient, wenn er in Bezug auf den Einlassbereich 116 und den Auslassbereich 126 so angeordnet ist, dazu, eine Plattform für Wasser bereitzustellen, damit dieses auf einer unteren Fläche des Mittelbereichs 136 verbleibt und somit einen oberen Raum, den oberen Abschnitt 146, für den Gasstrom frei lässt. In bestimmten Fällen kann der Mittelbereich 136 im Wesentlichen flach angeordnet sein, zum Beispiel in einem Winkel von ca. 88,5° bis ca. 91,5° in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft, um so viel Wasser wie möglich zu sammeln.
Bezugnehmend auf 1B und 1F kann der Mittelbereich 136 als im Wesentlichen zylindrische oder zylindrische Struktur mit einer Mittellinienachse L2 konfiguriert und zwischen dem zweiten Ende 112 und einem dritten Ende 114 definiert sein. Die in 1F gezeigte zylindrische Struktur beschreibt eine untere Oberfläche 152 und eine obere Oberfläche 150. Der Mittelbereich 136 kann eine Länge Ln2 aufweisen, gemessen entlang der Mittellinienachse L2 und endend zwischen dem zweiten Ende 112 und dem dritten Ende 114. In bestimmten Ausgestaltungen hat die Länge Ln2 des Mittelbereichs 136 einen Wert von ungefähr 1,27 cm bis 25,4 cm, 2,54 cm bis 12,7 cm oder 5,08 cm bis 7,62 cm. In einer oder mehreren Ausführungsform(en) ist die Länge Ln2 des Mittelbereichs so konfiguriert, dass das ausgespülte Wasser nicht aus dem Reinigungs- und Ableitungsstrom heraus und zurück in den Behälter tropft, bevor es den Auslassbereich erreicht (in diesem Fall wäre der Mittelbereich zu lang).
In alternativen Ausführungsformen, bezugnehmend auf 3A–3G, kann der Mittelbereich 136 in verschieden ausgelegten Formen oder veränderlichen Längsquerschnittsformen konfiguriert sein, mit geeigneten Abmessungen, die eine ausreichende Speicherung von Produktwasser während einer Befüllung bewirken, um eine Systemblockade bei einem nachfolgenden Inbetriebnahmeversuch zu vermeiden. 3A–3G stellen alternative Ausführungsformen dar, bei denen die Winkel des Einlasses zum und des Auslasses vom Behälter nach oben gewandt sein, um ein Ableiten von Wasser durch Schwerkraft in den Behälter zum Speichern und Einfrieren zu erleichtern. 3A–3G zeigen eine Variation der Querschnittsansichten des Spülbehälters der 1A entlang der Linie 1F-1F, wobei 3A kreisförmig oder im Wesentlichen kreisförmig ist, und 3B–3G weisen einen Entwässerungsbehälter auf, der ein Ableiten von Wasser durch Schwerkraft in den Behälter zum Speichern und Einfrieren ermöglicht. Die 3B–3G können in Bezug auf eine feststehende Mittelpunktachse gedreht werden, um 15º, 30º, 45º, 60º, 75º, 90º, 105º, 120º, 135º, 150º, 165º, und 180º.
Der Auslassbereich 126 kann als im Wesentlichen zylindrische oder zylindrische Struktur mit einer Mittellinienachse L3 konfiguriert und zwischen dem dritten Ende 114 und einem vierten Ende 118 definiert sein. Der Auslassbereich 126 kann eine Länge Ln3 aufweisen, gemessen entlang der Mittellinienachse L3 und endend zwischen dem dritten Ende 114 und dem vierten Ende 118. In bestimmten Ausgestaltungen hat die Länge Ln3 des Auslassbereichs 126 einen Wert von ungefähr 1,27 cm bis 25,4 cm, 2,54 cm bis 12,7 cm oder 5,08 cm bis 7,62 cm. Ohne dies auf irgendeine bestimmte Theorie beschränken zu wollen, ist der Auslassbereich 126 so konfiguriert, dass das ausgespülte Wasser nicht zurück in den Behälter tropft, bevor es das Reinigungs- und Auslassventil erreicht. Die Längen Ln1, Ln2 und Ln3 können gleich oder verschieden sein. In mindestens einer Ausführungsform, die in 1B dargestellt ist, ist Ln2 größer als Ln1 und Ln3.
Wenn der Einlassbereich zylindrisch oder im Wesentlichen zylindrisch ist, kann der Einlassbereich 116 einen durchschnittlichen Durchmesser von ungefähr 5 bis 20 mm, 7,5 bis 17,5 mm, oder 10 bis 15 mm aufweisen. In einer oder mehreren Ausführungsformen erzeugt die Länge Ln1 des Einlassbereichs eine Richtwirkung auf den Fluidstrom, die eine Stromtrennung zwischen dem Endpunkt des Einlassbereichs und der Oberseite des Mittelbereichs bewirkt und dazu führt, dass der Fluidstrom auf die unterste innere Fläche des Mittelbereichs aufprallt. Dieser Vorgang verursacht ein Ausspülen des Wassers. In anderen Ausführungsformen kann der Einlassbereich 116 von einer großen Basis bei 110 zu der kleineren Basis bei 112 konisch oder kegelstumpfförmig verjüngt sein.
Der Mittelbereich 136 kann einen zylindrischen oder im Wesentlichen zylindrischen oder jeden anderen geeigneten Querschnitt, wie rechteckig oder vieleckig, aufweisen. Wenn der Einlassbereich 116 zylindrisch oder im Wesentlichen zylindrisch ist, kann der Mittelbereich 136 einen durchschnittlichen Durchmesser von ungefähr 12,5 mm bis 55 mm, 13,5 mm bis 40 mm, 15 mm bis 30 mm, 16 mm bis 25 mm, oder 17,5 mm bis 20 mm aufweisen. Der Mittelbereich 136 kann so konfiguriert sein, dass er einen durchschnittlichen Durchmesser aufweist, der gleich oder unterschiedlich zu denjenigen des Einlassbereichs 116 und/oder des Auslassbereichs 126 sein kann. Zum Beispiel kann der Mittelbereich 136 einen größeren durchschnittlichen Durchmesser als der Einlassbereich 116 und/oder der Auslassbereich 126 aufweisen. Der Unterschied in den Werten der durchschnittlichen Durchmesser kann ungefähr 2 mm bis 11 mm, 3 mm bis 10 mm, 4 mm bis 9 mm, oder 5 mm bis 8 mm betragen. Diese Durchmesser können so konfiguriert sein, dass ein einzelner Wassertropfen einen Durchgang aufgrund von Kapillarkräften nicht überbrücken oder vollständig blockieren würde.
Wie in 2 dargestellt, kann das Brennstoffzellensystem ferner einen zusätzlichen Reinigungsdurchgang 202 umfassen, um eine Reinigung zusätzlich zu der, die vom Haupt-Reinigungsdurchgang 206, in dem der Spülbehälter 106 liegt, bereitgestellt wird, bereitzustellen. Der zusätzliche Reinigungsdurchgang 202 kann ein erstes Ende 212 und ein zweites Ende 222 umfassen, wobei das erste Ende 212 mit einem oberen Bereich 204 des Abscheiders 104 verbunden und/oder in diesem aufgenommen ist, wobei das zweite Ende 222 stromabwärts des Ventils 108 angeordnet ist. In bestimmten Fällen ist der zusätzliche Reinigungsdurchgang 202 mit dem Haupt-Reinigungsdurchgang 206 an einer Verbindungsstelle 224 verbunden, wobei das zweite Ende 222 stromabwärts des Spülbehälters 106 und stromaufwärts des Ventils 108 angeordnet ist.
Der eingehende Strom kann Wasser in flüssigem und/oder verdampftem Zustand, Wasserstoff und Stickstoff enthalten und der eingehende Strom durchläuft den Haupt- und/oder zusätzlichen Reinigungsdurchgang in verschiedenen Konzentrationen. Das Ausmaß eines Stroms durch den zusätzlichen Reinigungsdurchgang 202 kann so gesteuert werden, dass der zusätzliche Reinigungsdurchgang 202 nur dann zur Anwendung kommt, wenn der Haupt-Reinigungsdurchgang 206 das erforderliche Ausmaß an Reinigung nicht wie gewünscht bereitstellen kann. Diese Steuerung kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden, einschließlich des Einsatzes einer Beschränkungsvorrichtung, wie eine Öffnung, um den Strom durch den zusätzlichen Reinigungsdurchgang 202 zu beschränken, oder ein Ventil, wie ein Magnetventil.
Wie in 1B und 2 dargestellt, kann der zusätzliche Reinigungsdurchgang 202, auch wenn der zusätzliche Reinigungsdurchgang 202 in Bezug auf den Haupt-Reinigungsdurchgang 206 getrennt angeordnet ist, das gleiche Ventil 108, das vom Haupt-Reinigungsdurchgang 206 genutzt wird, speisen, wodurch Kosten und Blindverluste geringgehalten werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1B bleibt der Mittelbereich 136 des Spülbehälters 106 der unterste Bereich in dem Haupt-Reinigungsdurchgang 206 in Bezug auf Anfang des Durchgangs vom Abscheider 104. Unter erneuter Bezugnahme auf 2 bleibt der Mittelbereich 136 des Spülbehälters 106 der unterste Punkt in dem Haupt-Reinigungsdurchgangs 206 in Bezug auf das zweite Ende 222 des zusätzlichen Reinigungsdurchgangs 202. Dieser relativ niedrige Bereich bietet einen Bereich für Wasser, damit es sich entfernt von Bereichen, die gegenüber einer Blockade durch Eisbildung empfindlich sind, ansammelt, wie zum Beispiel die Einmündungsstelle (z. B. das zweite Ende 222) des Hauptdurchgangs und des zusätzlichen Durchgangs oder die Öffnung im Ventil 108.
Der zusätzliche Reinigungsdurchgang 202 ist so vorgesehen, dass er an einer Stelle oben auf dem Abscheider 104 beginnt, was einen Gasstrom bei Eisblockaden in den Hauptdurchgang 206 ermöglicht. Der zusätzliche Reinigungsdurchgang 202 mündet in den Hauptdurchgang 206 vor der Stelle stromaufwärts des Ventils 108. Der Beginn am Abscheider 104 kann eine Ansammlung von flüssigem Wasser, das später einfrieren könnte, verhindern. Der zusätzliche Reinigungsdurchgang 202 kann eine Öffnung (nicht gezeigt) in dem Strompfad enthalten, um den Fluidstrom zu begrenzen, wodurch sichergestellt wird, dass der Hauptanteil der Spül- und Ablassfluide durch den Hauptdurchgang 206 strömt, solange der Hauptdurchgang 206 nicht durch flüssiges Wasser oder Eis blockiert oder begrenzt ist.
Somit dient der zusätzliche Reinigungsdurchgang 202 als eine Umgehungsschleife, die einen Spülstrom ermöglicht, falls der Haupt-Reinigungsdurchgang 206 durch Eis blockiert ist, bis der Haupt-Reinigungsdurchgang 206 enteist ist und Spül- und Ableitungsfluide wieder strömen können. In dieser Anordnung muss das Ventil 108 so angeordnet sein, dass es nicht das unterste Bauteil in dem gesamten System ist, um zu verhindern, dass es von einer Eisblockade betroffen wird.
In bestimmten Ausgestaltungen können der Hauptdurchgang, der Nebendurchgang oder beide aus einem leitfähigen Material gebildet sein. Solch ein Hauptdurchgang, Nebendurchgang oder beide können vollständig oder teilweise innerhalb einer weiteren Systemrohrleitung angeordnet sein, die warme Gase oder Fluide transportiert, wie der Kathodenauslassdurchgang, der aus dem Stapel herausführt, oder eine Rohrleitung, die warmes Stapelauslasskühlmittel transportiert. Auf diese Weise werden die Durchgänge durch ihre Umgebung latent erwärmt, wodurch jegliches Eis wirksam unter Verwendung von Abwärme aufgetaut wird. Geeignete leitfähige Materialen umfassen Metall wie Kupfer, Aluminium, Verbundstoffe und dergleichen, sind aber nicht hierauf beschränkt.
Alternativ können der Hauptdurchgang, der Nebendurchgang oder beide oder bestimmte ihrer Bereiche aus einem Kunststoffmaterial gebildet sein. Der Kunststoff kann geformt sein, zum Beispiel durch Muschelschalengießen und Verschweißen, oder durch Spitzgießen. Es kann wünschenswert sein, die einzelnen Durchgänge zu formen, ohne dass die einzelnen Bereiche zusammengeschweißt werden müssen, wie oben erwähnt wurde. Dennoch wird Schweißen oder klebendes Verbinden der geformten Teile in Betracht gezogen. Das Kunststoffmaterial kann jeglicher Kunststoff sein, der mit der Funktion der Durchgänge kompatibel ist. Beispielhafte Kunststoffe können Thermoplaste, hochreine Materialien und hochleistungsfähige technische Kunststoffe mit ausgezeichneter mechanischer Festigkeit und Formstabilität umfassen, zum Beispiel Fluoropolymere, einschließlich Polytetrafluoroethylen (PTFE), fluoriertes Ethylenpropylen (FEP), Perfluoroalkoxyalkan (PFA), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polychlorotrifluoroethylen (PCTFE), Ethylenchlorotrifluoroethylen (ECTFE), Ethylentetrafluoroethylen (ETFE), Hochleistungs-Polyimide, Polyamide wie Nylon, dergleichen, oder eine Kombination aus diesen, ist aber nicht hierauf beschränkt.
Zumindest ein Bereich des Hauptdurchgangs, des Nebendurchgangs oder beider können eine Auskleidung umfassen, die mechanische Eigenschaften, Haltbarkeit des Durchgangs, Hydrophobie, andere Eigenschaften oder eine Kombination daraus verbessert. Eine beispielhafte Auskleidung kann durch Einbindung einer Membran, wie eine Gore-Tex^®-Membran, gebildet werden, die eine dünne Schicht aus erweitertem Polytetraflyuoroethylen (ePTFE) ist. Die Auskleidung kann zumindest innerhalb eines Bereichs des Behälters 106 enthalten sein, wodurch sie zumindest einen Bereich der Innenflächen des Behälters 106 bedeckt. Alternativ können alle Innenflächen des Behälters 106 die Auskleidung aufweisen. Andere Bereiche des Systems 100, wie der Durchgang 134, die Durchgänge 130, 132 oder deren Kombination können die Auskleidung aufweisen.
Aufgrund der Reinigungs-/Spülwirkung wird verhindert, dass das Wasser den Behälter 106 füllt. Mit anderen Worten: Wenn das Spülgas durch den Einlassbereich 166 eintritt und dann durch den Mittelbereich 136 strömt, wird flüssiges Wasser in dem Spülgasstrom mitgerissen und zum Auslassbereich 126 transportiert. Der Wasserentfernungsvorgang wird während des Betriebs des Systems durchgeführt, oder wann immer das Ventil 108 betätigt wird. Um die Spülwirkung des Systems weiter zu verbessern, was wiederum verhindert, dass sich der Spülbehälter 106 mit Wasser füllt und eine nachfolgende Blockade durch Eis, wenn das Wasser einfriert, entsteht, können zusätzliche Strukturen in das System integriert werden.
Zum Beispiel kann eine Venturi-Düse am Spülbehälter 106 hinzugefügt werden. Eine beispielhafte Venturi-Düse 170 ist in 4A dargestellt. Die Venturi-Düse 170 kann jede beliebige Struktur sein, die in der Lage ist, den Venturi-Effekt zu verursachen, oder mit anderen Worten eine Struktur mit einem verengten Bereich, der eine Verringerung des Fluiddrucks verursacht, wenn ein Fluid durch den verengten Bereich strömt. Zum Beispiel kann die Venturi-Düse wie in Venturi-Rohr mit einem veränderlichen Durchmesser innerhalb seiner Länge geformt sein. Somit kann das Rohr einen Einlasskonus von ca. 30° und einen Auslasskonus von ca. 5° aufweisen.
Eine alternative Struktur, die im Allgemeinen die gleiche Funktion wie die Venturi-Düse 170 erfüllt, kann eine Blende 172 sein, wobei ein Beispiel hierfür in 4B gezeigt ist. Die Blende 172 kann eine Platte mit einer Öffnung 174 innerhalb der Platte 172 sein. Die Blende 172 kann innerhalb des Einlasses 116 angeordnet sein. Die Venturi-Düse 170 oder die Blende 172 können die Menge an Wasser, die bei jedem Spülimpuls entfernt wird, erhöhen, so dass die Venturi-Düse 170 oder die Blende 172 das Volumen an Wasser, das in Richtung zum Auslassventil 108 bewegt wird, vergrößern kann.
Sowohl die Venturi-Düse 170 als auch die Blende 172 enthalten eine Öffnung 174. Die Öffnung 174 der Venturi-Düse bezieht sich auf den kleinsten Durchmesser der Venturi-Struktur. Die Abmessungen der Öffnung 174 sollten in Abhängigkeit von den Abmessungen des Einlassbereichs 116, des Mittelbereichs 136 und/oder den Abmessungen anderer Bereiche und Strukturen des Spülbehälters 106 angepasst werden. Die Öffnungsgröße, wie nachfolgend beschrieben, ist in Bezug auf die Größe des Einlassbereichs definiert, da beide von der Leistung des Brennstoffzellensystems und den erforderlichen Reaktionsstromraten geregelt werden. Ein Brennstoffzellensystem mit 80 kW Nettoleistung zum Beispiel rechtfertigt ein Ventil, das mit dem Auslass des Spülbehälters 106 verbunden ist, mit einer Öffnung 174 in dem Bereich von ca. 2 mm bis 8 mm im Durchmesser. Der Einlassdurchmesser in einem solchen System kann mindestens ca. 8 mm betragen, abhängig von dem gewünschten Druckabfall und der maximalen Durchflussrate des Systems.
Die Öffnung 174 kann nicht kleiner als ein Verhältnis von 1/6 des Einlassbereichs 116 und nicht größer als 1/2 des Einlassbereichs 116 sein. Somit hat der Einlassbereich 116 einen Durchmesser d₁ und die Öffnung 174 hat einen Durchmesser d₂, wobei d₂ gleich 1/6 bis 1/2 von d₁ ist. Die Öffnung 174 sollte nicht so klein sein, dass sie eine Kondensation eines einzelnen Tropfens in der Öffnung 174 verursacht. Die Kondensation könnte die Öffnung blockieren, was verhindern würde, dass das Spülgas und Wasser durch die Öffnung 174 hindurchtreten. Um die Verhinderung von Kondensation innerhalb der Öffnung 174 zu unterstützen, kann ein hydrophobes Material auf die äußere Fläche der Öffnung 174, der Venturi-Düse 170, der Blende 172 oder einer Kombination aus diesen aufgebracht werden.
Das hydrophobe Material kann zum Beispiel ein superhydrophobes Material sein, das dazu führt, dass Wasser an der Oberfläche abgleitet. Solche Materialien umfassen zum Beispiel Manganoxid-Polystyren-Nanoverbundstoffe, Zinkoxid-Polystyren-Nanoverbundstoffe, ausgefälltes Kalziumcarbonat, Kohlenstoff-Nanoröhren-Strukturen, oder Kieselerde-Nanobeschichtungen. Alternativ kann das hydrophobe Material auf Molekülen von Alkanen, Ölen, Fetten, oder anderen öligen Substanzen basieren. Die Beschichtung kann auf einem oder mehreren hydrophoben Polymer(en) basieren, einschließlich Acryle, Amide, Imide, Carbonate, Diene, Ester, Ether, Fluorkarbone, Olefine, Styrene, Vinylacetale, Vinylester, Vinylchloride, Vinylidenchloride, Vinylether, Vinylketone, Vinylpyridin, Vinylpyrrolidon oder dergleichen. Als weitere Alternative kann das Material der Öffnungsoberfläche aus einem strukturell veränderten Material gefertigt sein, um Hydrophobie bereitzustellen, zum Beispiel durch Laserätzen. Laserätzen kann Rippen oder andere Nanostrukturen im Material bereitstellen. Ein solche mit Laserätzen behandelte Oberfläche kann einen langanhaltenden wasserabweisenden Effekt bereitstellen, wodurch verursacht wird, dass Wassermoleküle von der Oberfläche abrollen. Zusätzlich können die Laserätz-Nanostrukturen ebenfalls mit einem hydrophoben Material, wie Polytetrafluorethylen, beschichtet werden.
Die Venturi-Düse 170 oder die Blende 172 können in dem Spülbehälter 106 eingebaut sein, der zylindrische Geometrien, die in 3B–3G gezeigten Geometrien oder andere Geometrien, wie ein toroidaler Spülbehälter, aufweist. Die Venturi-Düse 170 oder die Blende 172 können an beliebiger Stelle innerhalb des Einlassbereichs 116 des Behälters 106 angeordnet sein. Die Position der Venturi-Düse 170 oder der Blende 172 sollte so gewählt sein, dass die Venturi-Düse 170 oder die Blende 172 dabei helfen, einen Strahl zu erzeugen, der den Wasserstrom im Mittelbereich 136 zusammendrücken kann. Insbesondere sollte der Strahl auf den Boden des Mittelbereichs 136 gerichtet sein, so dass das zusammengedrückte Wasser zum Auslassventil 108 ausgestoßen wird. Somit kann es wünschenswert sein, die Venturi-Düse 170 so niedrig wie möglich innerhalb des Einlassbereichs 116 in Bezug auf den Mittelbereich 136 des Behälters 106 anzuordnen. Somit kann die Venturi-Düse 174 am untersten Abschnitt 176 des Einlassbereichs 116 oder angrenzend an den Mittelbereich 136 liegen. Die Öffnung 174 kann nicht höher liegen als der Punkt, an dem der Strahl, der aus dem Zusammenprall mit dem Wasser im Mittelbereich 136 entsteht, den Einlassbereich 136 zu berühren beginnt. Mit anderen Worten: Die Venturi-Düse 170 oder die Blende 172 können innerhalb des Einlassbereichs 116 nicht höher liegen als die Position, die der Strahl erreichen kann.
Eine weitere Struktur, die in den Behälter 106 eingebaut werden kann, um dessen Spülungswirkung und die Wasserentfernung bei allen Betriebsbedingungen zu verbessern, ist eine Strahlpumpe. Eine beispielhafte Strahlpumpe 178, auch als Spülgas-Bypassleitung bezeichnet, ist in 5 dargestellt. Die Bypassleitung kann jede beliebige Struktur sein, die den Einlassbereich 116 direkt mit dem Auslassbereich 126 verbindet und zum Entfernen des Spülgases dient. Die Bypassleitung 178 ermöglicht ein Entfernen des Spülgases in Fällen, wenn der Behälter 106 mit Wasser, Eis oder beidem gefüllt ist, so dass das Spülgas nicht durch den Mittelbereich 136 des Behälters 106 hindurchströmen kann. Die Bypassleitung 178 ermöglicht somit die Spülgasentfernung während eines Kaltstarts, wodurch der Betrieb des Brennzellensystems ermöglicht wird, bevor das Eis im Behälter 106 schmilzt.
Zusätzlich weist die Bypassleitung 178 einen Auslass 180 auf, der ausgelegt ist, um einen Niederdruck-Ansaugbereich 182 im Auslassbereich 126 des Behälters 106 zu erzeugen. Der Niederdruckbereich 182 unterstützt die Wasserentfernung aus dem Mittelbereich 136, indem er das Wasser in Richtung zum Auslassventil 108 zieht. Um den Niederdruckbereich 182 zu erzeugen, kann eine Venturi-Düse oder eine Blende in dem Auslass 180 integriert sein. Die Bypassleitung 178 kann auch ohne die Venturi-Düse 170 und die Blende 172 auskommen.
Die Bypassleitung 178 sollte einen Durchmesser aufweisen, der kleiner als ein Durchmesser des Einlassbereichs 116, des Auslassbereichs 126 und des Mittelbereichs 136 ist. Der Zweck der Bypassleitung 178 ist, einen Backup-Durchgang für das Spülgas, insbesondere Stickstoff, bereitzustellen, das eine Entfernung aus dem Brennstoffzellensystem ohne Verzögerung erfordert. Die Bypassleitung 178 soll eine Alternativroute für das Spülgas bieten, vor allem falls der Einlassbereich 116, der Mittelbereich 136, der Auslassbereich 126 oder eine Kombination aus diesen mit Wasser, Eis oder beidem gefüllt sind, so dass zumindest einer der Bereiche blockiert ist und das Spülgas nicht durch die Bereiche 116, 136, 126 zum Ventil 108 gelangen kann. Dennoch ist es unter normalen Umständen, wenn die Bereiche 116, 136, 126 ein Strömen des Spülgases zum Ventil 108 ermöglichen, wünschenswert, dass das Spülgas durch den Einlassbereich 116 zum Mittelbereich 136 und zum Auslassbereich 126 mit dem Ventil 108 strömt. Somit sollte der Durchmesser der Spülgas-Bypassleitung 178 klein genug sein, um ein Strömen des Spülgases durch die Bereiche 116, 136, 126 zu forcieren.
Es kann wünschenswert sein, sowohl eine Venturi-Düse 170 und/oder eine Blende 172 zusätzlich zu der Bypassleitung 178 bereitzustellen, wie in einer Ausführungsform der 6 dargestellt ist. Falls eine Venturi-Düse 170 oder die Blende 172 im Behälter 106 eingebaut ist, sollte die Bypassleitung 178 stromaufwärts und über der Venturi-Düse 170 oder der Blende 172 liegen. Es gibt keine Begrenzung hinsichtlich der maximal erwünschten Entfernung zwischen dem Mittelbereich 136 und der Bypassleitung 178; jedoch gilt: je weiter die Bypassleitung 178 in Bezug auf den Mittelbereich 136 entfernt ist, desto größer wird der Behälter 106. Es ist wünschenswert, den Behälter 106 aufgrund der räumlichen Anordnung des Systems 100 innerhalb des Fahrzeugs so kompakt wie möglich zu halten.
Wenn keine Venturi-Düse 170 oder Blende 172 verwendet wird, kann die Bypassleitung 178 an beliebiger Stelle über dem Mittelbereich 136 des Behälters 106 liegen. Die Bypassleitung 178 sollte mit einer solchen Entfernung vom Mittelbereich 136 beabstandet sein, dass kein Wasser in die Bypassleitung 178 eintritt, falls Wasser, Eis oder beides zumindest einen der Bereiche 116, 136 und 126 füllt.
In einer oder mehreren Ausführungsform(en) kann mehr als eine Bypassleitung 178 in Betracht gezogen werden. Mindestens eine zusätzliche Bypassleitung kann stromaufwärts der Bypassleitung 178 liegen und die Entfernung des Spülgases unterstützen, falls der Mittelbereich 136 mit Eis, Wasser oder beidem gefüllt ist und die Bypassleitung 178 nicht ausreicht, um das Spülgas zu entfernen. Die zusätzliche Bypassleitung 178 kann den gleichen oder einen anderen Durchmesser wie die Bypassleitung 178 aufweisen. Zum Beispiel kann die zusätzliche Bypassleitung 178 einen kleineren Durchmesser als die Bypassleitung 178 aufweisen, um zu forcieren, dass das Spülgas durch den Einlassbereich 116, den Mittelbereich 136 und den Auslassbereich 126 zum Ventil 108 strömt.
In bestimmten anderen Ausgestaltungen kann eine Wärmequelle in enger Verbindung mit dem Haupt- und Nebendurchgang angeordnet sein, um das Schmelzen des Eises zu fördern.
In bestimmten anderen Ausgestaltungen können der Haupt- und Nebendurchgang vollständig oder teilweise isoliert sein, um das Schmelzen des Eises durch Verhinderung eines Wärmeverlusts zu fördern.
In bestimmten anderen Ausgestaltungen kann eine wasserdampfdurchlässige, aber flüssigwasserundurchlässige Membran in dem Bypass-Reinigungsdurchgang angeordnet werden, um flüssiges Wasser außerhalb des Durchgangs zu halten, um eine Eisblockade zu verhindern.
Nachdem mehrere Ausführungsformen dieser Erfindung allgemein beschrieben wurden, kann diese weiterhin besser verstanden werden, wenn auf bestimmte spezielle Beispiele hingewiesen wird, die hierin nur zum Zwecke der Veranschaulichung, aber nicht als einschränkend bereitgestellt werden, wenn nicht anders angemerkt.
BEISPIELE
Ein beispielhafter Spülbehälter ist gemäß der in 1A und 1B gezeigten Konfiguration gebildet. Der so ausgebildete beispielhafte Spülbehälter weist die folgenden Abmessungen auf: eine Einlassbereichslänge von 63,5 mm, einen durchschnittlichen Einlassbereichsdurchmesser von 12,7 mm, α1 mit 147°, eine Mittelbereichlänge von 54,0 mm, einen durchschnittlichen Mittelbereichdurchmesser von 19,1 mm, α2 mit 155,5°, eine Auslassbereichslänge von 41,3 mm und einen durchschnittlichen Auslassbereichsdurchmesser von 12,7 mm.
Ein Prototyp eines zusätzlichen Reinigungsdurchgangs, der gemäß 2 aufgebaut ist, zeigt eine akzeptable Reinigungsleistung während Kaltbefüllung, wodurch eine offener Spülstrompfad für den nächsten Kaltstart aufrechterhalten wird, ohne dass mehrere Ventile notwendig wären.
Während die beste Art und Weise zum Ausführen der Erfindung genau beschrieben wurde, wird der Fachmann auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen zur praktischen Anwendung der Erfindung erkennen, die durch die nachfolgenden Ansprüche definiert wird.

Claims

Brennstoffzellenanoden-Spülkanal, umfassend einen länglichen Wasserspülungskörper mit einem einzelnen Einlassbereich, einem einzelnen Auslassbereich mit einem Auslassventil und einen Spülbehälter, der konfiguriert ist, um Wasser anzusammeln und den Einlass- und Auslassbereich fluidisch zu verbinden, um einen Strom von Spülgas vom Einlassbereich durch den Behälter zu führen, so dass das Spülgas das Wasser im Strom mitreißt und das Wasser in Richtung zum Auslassventil transportiert.
Spülkanal nach Anspruch 1, wobei der Einlassbereich eine Venturi-Düse umfasst, um die Geschwindigkeit des Spülgases, das das Wasser im Behälter zusammendrückt, zu erhöhen, so dass das Spülgas einen Strahl bildet, der in der Lage ist, ein Volumen an Wasser, das zum Auslassventil transportiert wird, zu vergrößern.
Spülkanal nach Anspruch 2, wobei der Einlassbereich einen Durchmesser d₁ aufweist und die Venturi-Düse eine Öffnung mit einem Durchmesser d₂ umfasst, wobei d₂ gleich 1/6 bis 1/2 von d₁ ist.
Spülkanal nach Anspruch 2, wobei die Venturi-Düse eine hydrophobe Beschichtung umfasst.
Spülkanal nach Anspruch 2, wobei die Venturi-Düse in einem untersten Abschnitt des Einlassbereichs direkt angrenzend an den Spülbehälter liegt.
Spülkanal nach Anspruch 2, wobei die Venturi-Düse im Einlassbereich nicht höher liegt als die Position, die der Strahl erreichen soll.
Spülkanal nach Anspruch 1, wobei der Spülbehälter zylinderförmig ist.
Spülkanal nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Spülgas-Bypassleitung, die den Einlass- und Auslassbereich verbindet, wobei die Spülgas-Bypassleitung stromaufwärts des Spülbehälters angeordnet ist, so dass das Spülgas vom Einlassbereich zum Auslassventil strömt, ohne mit dem Behälter in Kontakt zu kommen.
Spülkanal nach Anspruch 2, wobei eine Spülgas-Bypassleitung angrenzend an die Venturi-Düse angeordnet ist.
Spülkanal nach Anspruch 8, wobei ein Durchmesser der Spülgas-Bypassleitung kleiner als ein Durchmesser des Spülbehälters ist.