DE102017214723A1

DE102017214723A1 - Strömungskanal und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102017214723A1
Application number: DE102017214723.7A
Authority: DE
Inventors: Rune Staeck; Dirk Jenssen
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2017-08-23
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2019-02-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strömungskanal (50), welcher ein zwischen einer ersten Position (P1) und einer zweiten Position (P2) bewegliches Mittel (52) aufweist, wobei der Strömungskanal (50) mittels des beweglichen Mittels (52) so ausgebildet ist, dass in der ersten Position (P1) eine Ansammlung von Flüssigkeit (54) in einer Vertiefung (56) des Strömungskanals (50) ermöglicht oder gefördert wird, während dies in der zweiten Position (P2) verhindert, vermindert oder zumindest nicht gefördert wird.
Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (1), welches den Strömungskanal (50) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungskanal und ein Brennstoffzellensystem, welches den Strömungskanal aufweist.
Ein Brennstoffzellenfahrzeug beschreibt ein Fahrzeug, welches zum Antrieb des Fahrzeugs durch ein Brennstoffzellensystem mit elektrischer Energie versorgt wird. Zusätzlich kann auch eine Batterie das Brennstoffzellensystem unterstützen, um einen Elektromotor mit Energie zu versorgen, der wiederum ein Drehmoment zum Fahrzeugantrieb generiert.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (Brennstoffzellenstapel) angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu Protonen H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → 2 H⁺ + 2 e^-). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O₂ + 2 e^- → O^2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2- + 2 H⁺ → H₂O).
Zur Zeit werden PEM (Polymerelektrolyt-Membran) Brennstoffzellen innerhalb von Brennstoffzellensystemen zum Antrieb von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Diese benötigen aktuell eine befeuchtete Luftzufuhr, um eine definierte Mindest-Membranfeuchte im Inneren des Brennstoffzellenstapels aufrechtzuerhalten. Aufgrund von Wasserproduktion und Kondensation des Wasserdampfs fällt am Austritt des Brennstoffzellenstapels flüssiges Wasser an. Dieses flüssige Wasser wird entlang von Schläuchen und Rohren des Brennstoffzellensystems geführt und üblicherweise in Wasserabscheidern des Brennstoffzellensystems gesammelt. Die Wasserabscheider und Strömungswege des Brennstoffzellensystems werden üblicherweise vor dem Abstellen des Fahrzeuges durch eine Abfahrprozedur getrocknet. Kühlt sich die Atmosphäre und infolge dessen das Brennstoffzellensystem beispielsweise in der Nacht ab, fällt weiteres Kondensat an. Entlang der Strömungswege (des Strömungspfades) können Bauteile wie zum Beispiel Klappen angeordnet sein, an denen sich das Kondensat sammelt.
Bei einem folgenden Froststart, also einem Start des Brennstoffzellensystems unterhalb des Gefrierpunktes, kann die Funktion von Bauteilen des Brennstoffzellensystems beeinträchtigt werden, wenn das angelagerte Kondensat an den Bauteilen gefriert. Dieses Problem ist auch aus der DE 10 2013 011 373 A1 bekannt. Es wird jedoch kein Schutz vor gefrierendem Kondensat offenbart, das nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems durch Temperatur- oder Druckänderungen im Brennstoffzellensystem anfällt und gefriert.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen, welche die Gefahr von an Bauteilen gefrierendem Kondensat weiter reduziert.
Diese Aufgabe wird durch einen Strömungskanal mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Strömungskanal zur Verfügung gestellt, welcher ein bewegliches Mittel aufweist. Das bewegliche Mittel ist zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position beweglich. Der Strömungskanal ist mittels des beweglichen Mittels so ausgebildet, dass in der ersten Position eine Ansammlung von Flüssigkeit in einer Vertiefung des Strömungskanals ermöglicht oder gefördert wird. In der zweiten Position wird dies verhindert, vermindert oder zumindest nicht gefördert.
Dadurch, dass die Flüssigkeit, insbesondere Kondensat von Wasserdampf, also Wasser, in der Vertiefung (beispielsweise eine Mulde oder Tasche) (an-) gesammelt wird, gelangt die Flüssigkeit nicht zu den Bauteilen, welche durch die Flüssigkeit in ihrer Funktion gefährdet werden könnten. Da die Flüssigkeit nicht zu den Bauteilen gelangt, können diese bei Temperaturen unterhalb von 0 °C (Grad Celsius) auch nicht vereisen. In der zweiten Position wird das Ansammeln von Flüssigkeit jedoch verhindert, vermindert oder zumindest nicht gefördert (insbesondere erschwert), wodurch ein Strömungswiderstand des Strömungskanals verringert werden kann. Der Strömungskanal ist insbesondere ein Strömungskanal für ein Gas, vorzugsweise für ein Betriebsgas (Anoden- oder Kathodengas) eines Brennstoffzellensystems. Die Vertiefung dient insbesondere zur (temporären) Speicherung der Flüssigkeit, damit die Flüssigkeit nicht an zu schützenden Bauteilen gefrieren und diese beschädigen kann. Die Vertiefung stellt somit insbesondere einen (entleerbaren) Speicher dar. Unter dem Strömungskanal, welcher eine Strömungskanal-Vorrichtung darstellt, wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung ein insbesondere umlaufend umschlossener Kanal, im Sinne eines Strömungspfades oder einer Strömungsleitung verstanden. Das Mittel kann aktiv oder passiv geregelt oder gesteuert werden. Dass das Mittel ein bewegliches Mittel ist, kann bedeuten, dass es wenigstens bereichsweise beweglich oder verformbar ist.
Dass in der ersten Position eine Ansammlung von Flüssigkeit in der Vertiefung des Strömungskanals ermöglicht oder gefördert wird, bezieht sich insbesondere (relativ) auf den Zustand in der zweiten Position (und umgekehrt). Alternativ kann sich die Funktion der ersten Position, dass eine Ansammlung von Flüssigkeit in der Vertiefung des Strömungskanals ermöglicht oder gefördert wird und/oder die Funktion der zweiten Position, dass dies in der zweiten Position verhindert, vermindert oder zumindest nicht gefördert wird, auch auf einen Zustand des Strömungskanals ohne dem beweglichen Mittel beziehen.
Vorzugsweise bildet das Mittel in der zweiten Position innerhalb des Strömungskanals ein Gefälle aus. Das Gefälle wird insbesondere in jenem Abschnitt des Strömungskanals ausgebildet, in welchem sich zumindest in der ersten Position des Mittels die Vertiefung ausbildet. Durch das Gefälle kann die Flüssigkeit abgeführt werden.
Insbesondere hängt die Position des beweglichen Mittels von einer Temperatur ab. Das bewegliche Mittel ist also insbesondere temperaturgesteuert. Die Temperatur kann dabei insbesondere eine Temperatur innerhalb des Strömungskanals, dessen Wandung, der Umgebung und/oder des beweglichen Mittels sein.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das bewegliche Mittel bei einer Temperatur unterhalb eines Schwellenwerts oder Schwellenbereichs die erste Position und oberhalb des Schwellenwerts oder Schwellenbereichs, die zweite Position aufweist. Der Schwellenwertbereich könnte beispielsweise zwischen 50 °C und 70 °C (oder auch 80 °C) betragen, wobei die genannten Werte um 10°C nach oben oder unten variieren können. Vorzugsweise beträgt der Schwellenwert zwischen 30 °C und 90 °C, bevorzugt zwischen 40 °C und 80 °C, ferner bevorzugt zwischen 50 °C und 70 °C, insbesondere zwischen 55 °C und 65 °C. Beispielsweise beträgt der Schwellenwert 60°C. Dadurch wird erreicht, dass beispielsweise im kalten Zustand eines Brennstoffzellensystems (insbesondere unterhalb von 60 °C), also in einem nicht betriebswarmem Zustand, die Flüssigkeit gesammelt wird. Bei Temperaturen oberhalb des Schwellenwerts oder Schwellenwertbereichs, also beispielsweise im betriebswarmen Zustand eines Brennstoffzellensystems nimmt das bewegliche Mittel die zweite Position ein. Innerhalb des Schwellenbereichs kann das bewegliche Mittel dabei Positionen zwischen der ersten und der zweiten Position einnehmen, beispielsweise sich mit steigender Temperatur zunehmend von der ersten zur zweiten Position bewegen und umgekehrt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das bewegliche Mittel derart angeordnet und ausgebildet ist, dass in der zweiten Position eine Bildung der Vertiefung verhindert oder vermindert wird. Somit weist der Strömungskanal in der zweiten Position keine Vertiefung auf, wodurch totes Strömungsvolumen im Strömungskanal reduziert wird. Eine Ansammlung von Flüssigkeit in einer Vertiefung wird somit verhindert oder vermindert.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Mittel derart mit einer Wandung des Strömungskanals verbunden, insbesondere in die Wandung integriert ist, dass die Bildung der Vertiefung verhindert oder vermindert wird. Somit wirkt das Mittel derart auf die Wandung (also eine strukturelle Begrenzung des Strömungskanals) ein, dass in der ersten Position die Vertiefung gebildet wird, während dies in der zweiten Position nicht oder nur vermindert der Fall ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das bewegliche Mittel derart innerhalb des Strömungskanals angeordnet und ausgebildet ist, dass in der zweiten Position das Mittel die Vertiefung des Strömungskanals abdeckt. Da die Vertiefung in der zweiten Position des Mittels von dem Mittel abgedeckt, also bedeckt wird, wird die Ansammlung von Flüssigkeit in der Vertiefung verhindert oder zumindest erschwert.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das bewegliche Mittel derart angeordnet und ausgebildet ist, dass in der ersten Position die Flüssigkeit in die Vertiefung gelenkt wird. Somit wird die Ansammlung der Flüssigkeit in der Vertiefung insbesondere gefördert. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, indem das Mittel so angeordnet und ausgebildet ist, dass eine Strömung von Gas und Flüssigkeit innerhalb des Strömungskanals in Richtung der Vertiefung umgelenkt wird, sodass die Flüssigkeit, welche eine höhere Dichte als das Gas aufweist, dem Gas nicht folgen kann und in die Vertiefung getrieben wird. In der zweiten Position nimmt das bewegliche Mittel hingegen insbesondere eine Position ein, welche Strömungsverluste minimiert. Ferner wird in der zweiten Position die Ansammlung von Flüssigkeit in der Vertiefung insbesondere zumindest nicht gefördert oder (durch die Strömungsumlenkung) das Ansammeln von Flüssigkeit (Kondensat) sogar verhindert. Dabei könnte bereits angesammelte Flüssigkeit sogar wieder ausgetragen werden. Solange in der zweiten Position das Ansammeln von Kondensat nicht verhindert wird, kann sich dennoch Flüssigkeit ansammeln. Diese muss somit auch nicht wieder ausgetragen werden, sondern könnte auf alternativem Wege zum Beispiel abgelassen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das bewegliche Mittel passiv temperaturgesteuert ist und insbesondere ein Bimetall umfasst. Passiv temperaturgesteuert bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Mittel nur durch einen Wärmeein- oder Austrag selbstständig zwischen der ersten und der zweiten Position wechselt. Mittels des Bimetalls kann das Mittel abhängig von der Temperatur des Bimetalls innerhalb eines Schwellenbereichs zwischen der ersten und der zweiten Position wechseln, indem sich das Bimetall (insbesondere ein Blech aus Bimetall) verformt. Das Mittel kann dabei auch so ausgestaltet sein, dass es bei einer Schwellentemperatur zwischen der ersten und zweiten Position wechselt, zum Beispiel indem es zwei stabile Zustände (ober- und unterhalb der Schwellentemperatur) und einen metastabilen Zustand (bei der Schwellentemperatur) aufweist. Das Bimetall ist insbesondere in der Wandung, beispielsweise eines Schlauchs, insbesondere eines Silikonschlauchs, des Strömungskanals integriert.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das bewegliche Mittel ein aktiv steuerbarer Aktor (also ein Aktuator) ist. Somit kann das bewegliche Mittel beispielsweise mittels elektrischer oder mechanischer Energie zwischen den beiden Positionen wechseln. Insbesondere umfasst das bewegliche Mittel einen Servomotor oder ein Piezoelement.
Ferner wird ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Strömungskanal zur Verfügung gestellt. Das Brennstoffzellensystem zeichnet sich durch eine erhöhte Ausfallsicherheit bei Starts des Brennstoffzellensystems unterhalb des Gefrierpunktes aus, da dank des erfindungsgemäßen Strömungskanals einzelne Komponenten des Brennstoffzellensystems nicht mehr festgefroren sind.
Der Schwellenwert oder Schwellenwertbereich kann unterhalb einem betriebswarmen Zustand, also unterhalb einer betriebswarmen Temperatur des Brennstoffzellensystems angeordnet sein. Bevorzugt stellt der Schwellenwert oder Schwellenbereich einen Übergang zwischen einem kalten und einem betriebswarmen Zustand des Brennstoffzellensystems dar.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Strömungskanal in einem Kathoden- und/oder Anodensystem des Brennstoffzellensystems angeordnet ist. Im Kathoden- und/oder Anodensystem ist ein Einsatz des Strömungskanals besonders angebracht, da dort im Betrieb des Brennstoffzellensystems Wasserdampf vorhanden sein kann, welcher nach Beendigung des Betriebs, also beim Abkühlen des Brennstoffzellensystems kondensiert.
Der Strömungskanal kann dabei, insbesondere unmittelbar, stromauf oder stromab eines (bezüglich Vereisung) gefährdeten Bauteils angeordnet sein, um das Bauteil bestmöglich zu schützen.
Ferner wird ein Fahrzeug umfassend das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt. Das Fahrzeug weist insbesondere einen Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs auf, welcher mittels einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems mit elektrischer Energie versorgt wird. Das Fahrzeug kann somit auch als Brennstoffzellenfahrzeug bezeichnet werden. Das Fahrzeug zeichnet sich durch dieselben Vorteile wie das Brennstoffzellensystem, also durch eine erhöhte Ausfallsicherheit aus. Die Vertiefung (der Speicher) bildet sich also insbesondere erst nach einem Abstellen des Fahrzeugs aus. Somit wirkt auch der Bauteilschutz insbesondere nach dem Abstellen des Fahrzeugs.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
2 eine erste bevorzugte Ausgestaltung des Strömungskanals (erste Position);
3 eine erste bevorzugte Ausgestaltung des Strömungskanals (zweite Position);
4 eine zweite bevorzugte Ausgestaltung des Strömungskanals (erste Position);
5 eine zweite bevorzugte Ausgestaltung des Strömungskanals (zweite Position)
6 eine dritte bevorzugte Ausgestaltung des Strömungskanals (erste Position); und
7 eine dritte bevorzugte Ausgestaltung des Strömungskanals (zweite Position).

In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit erfindungsgemäßen Strömungskanälen 50 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 1 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 1 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran oder einen anderen Festelektrolyten aufweist sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung (Brennstoffzellenreaktion) katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 der Bipolarplatten 15 angeordnet sein.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 1 einerseits ein Anodensystem 20 und andererseits ein Kathodensystem 30 auf.
So weist das Anodensystem 20 einen Anodenversorgungspfad 21 auf, welcher in den Brennstoffzellenstapel 10 führt und einen Anodenabgaspfad 22 auf, welcher aus dem Brennstoffzellenstapel 10 heraus führt. Die Pfade 21 und 22 sind mittels einer Rezirkulationsleitung 24 verbunden, in welcher eine Fördereinrichtung 25 vorgesehen ist, um eine Rezirkulation eines Anodengases zu ermöglichen. Dies ist sinnvoll, da beim Durchströmen des Brennstoffzellenstapels 10 nicht das gesamte, von einem Drucktank 23 über ein Druckregelventil 231 eingebrachte Anodengas von dem Brennstoffzellenstapel 10 verbraucht wird.
Das Anodensystem 20 umfasst ferner einen Wasserabscheider 27 in welchem sich im Anodengas befindliches Wasser sammelt und gegebenenfalls abgeführt wird. Zudem umfasst das Anodensystem 20 eine Spülleitung 28, welche über ein Spülventil 29 gegebenenfalls eine Verbindung zwischen dem Anodensystem 20 und dem Kathodensystem 30 herstellt, um das Anodengas über das Kathodensystem 30 abzuführen. Dies kann beispielsweise bei einer zu hohen Sticktstoffkonzentration im Anodengas, welche sich über die Betriebszeit aufbaut, notwendig sein.
Das Kathodensystem 30 kann in einen Kathodenversorgungspfad 31 und einen Kathodenabgaspfad 32 unterteilt werden. Der Kathodenversorgungspfad 31 umfasst einen Verdichter 33 zur Förderung von Umgebungsluft in den Brennstoffzellenstapel 10. Der Kathodenabgaspfad 32 umfasst hingegen eine Turbine 34, welche dem Kathodengas Energie entzieht und diese mechanisch dem Verdichter 33 zuführt. Der Kathodenversorgungspfad 31 kann zudem mit dem Kathodenabgaspfad 32 mittels einer Wastegate-Leitung 35 verbunden sein, um in bestimmten Betriebszuständen die Umgebungsluft nicht durch den Brennstoffzellenstapel 10 zu leiten, obwohl der Verdichter 33 in Betrieb ist. Um einen Durchfluss durch die Wastegate-Leitung 35 zu beeinflussen, weist die Wastegate-Leitung 35 ein Stellmittel 36, beispielsweise ein Ventil oder eine Klappe, auf.
Ferner werden der Kathodenversorgungspfad 31 und der Kathodenabgaspfad 32 mittels eines Befeuchters 37 verbunden. Dies erfolgt derart, dass Feuchtigkeit eines Kathodenabgases vom Kathodenabgaspfad 32 in den Kathodenversorgungspfad 31 geleitet wird, wo die Feuchtigkeit die der Brennstoffzelle 10 zugeführte Umgebungsluft befeuchtet. Dies ist erforderlich, das die Membranen der Membran-Elektroden-Anordnungen 14 nicht austrocknen dürfen.
Da bei der Brennstoffzellenreaktion innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 ebenfalls Produktwasser anfällt, ist leicht ersichtlich, dass im Kathodenversorgungspfad 31, insbesondere stromab des Befeuchters 37, und im gesamten Kathodenabgaspfad 32 eine relativ hohe relative Feuchtigkeit herrscht. Diese Feuchtigkeit gefährdet bei einer Kondensation und insbesondere bei einer Abkühlung unterhalb des Gefrierpunktes die Funktion des Kathodensystems 30. Da die Feuchtigkeit auch durch die Membranen der Membran-Elektroden-Anordnungen 14 diffundiert, ist die Funktion des Anodensystems 20 ebenso gefährdet.
Um diesem Problem abzuhelfen, weist das Brennstoffzellensystem 1 erfindungsgemäße Strömungskanäle 50 mit Vertiefungen 56 (Speichern 56) zum Sammeln von Flüssigkeit 54 nahe besonders gefährdeten Bauteilen 58 auf.
Ein besonders gefährdetes Bauteil 58 könnte beispielsweise ein in 1 nicht dargestelltes Ventil, eine nicht dargestellte Klappe oder ein nicht dargestellter Sensor, das Stellmittel 36 oder die Turbine 34 sein. Das Bauteil 58 kann somit im Kathodensystem 30 angeordnet sein, wobei der Strömungskanal 50 einen Teil des Kathodensystems 30 bildet. Zum Beispiel kann das Bauteil 58 im Kathodenversorgungspfad 31 (insbesondere stromab des Befeuchters 37) angeordnet sein, sodass der Strömungskanal 50 einen Teilbereich des Kathodenversorgungspfads 31 bildet. Zudem oder alternativ kann das Bauteil 58 im Kathodenabgaspfad 32 angeordnet sein, sodass der Strömungskanal 50 einen Teilbereich des Kathodenabgaspfads 32 bildet.
Zudem oder alternativ könnte ein gefährdetes Bauteil 58 im Anodensystem 20, beispielsweise im Anodenversorgungspfad 21, Anodenabgaspfad 22 und/oder in der Rezirkulationsleitung 24 angeordnet sein. Das gefährdete Bauteil 58 kann beispielsweise wiederum ein nicht dargestelltes Ventil, eine nicht dargestellte Klappe oder ein nicht dargestellter Sensor, die Strahlpumpe 26, das Spülventil 29 oder die Fördereinrichtung 25 sein.
2 und 3 zeigen eine erste bevorzugte Ausgestaltung des Strömungskanals 50. Der Strömungskanal 50 weist ein bewegliches Mittel 52 auf, welches zwischen einer ersten Position (siehe 2) und einer zweiten Position (siehe 3) beweglich ist. Durch das bewegliche Mittel 52 ist der Strömungskanal 50 derart ausgebildet, dass in der ersten Position eine Ansammlung von Flüssigkeit 54 in einer Vertiefung 56 des Strömungskanals 50 ermöglicht wird, während dies in der zweiten Position verhindert (dargestellt) oder vermindert wird.
Der Strömungskanal 50 kann dabei so eingerichtet sein, dass das bewegliche Mittel 52 bei einer Temperatur unterhalb eines Schwellenwertes oder Schwellenbereichs die erste Position und oberhalb des Schwellenwertes oder Schwellenbereichs, die zweite Position aufweist. Der Schwellwert kann beispielsweise 60 °C betragen. Diese Temperatur stellt einen Übergang zwischen einem kalten und einem betriebswarmen Zustand des Brennstoffzellensystems 1 dar. Somit wird ermöglicht, dass bei Temperaturen unterhalb von 60 °C die Flüssigkeit in die Vertiefung 56 geleitet und dort gespeichert wird (siehe 2, 4, und 6). Ist das Brennstoffzellensystem 1 abgeschaltet, kann somit flüssiges Wasser in die Vertiefung 56 ablaufen. Bei Temperaturen über 60 °C wird ein weiteres Ansammeln von Flüssigkeit in der Vertiefung verhindert (siehe 3 und 5) oder zumindest nicht gefördert (siehe 7). So kann gemäß den 3 und 5 mit Hilfe des beweglichen Mittels 52 ein (konstantes) Gefälle hergestellt werden, welches ein Abführen von flüssigem Wasser im Betrieb erlaubt.
Gemäß der in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsform ist das Mittel 52 in einen Schlauch 59 integriert, also beispielsweise in einem Silikonschlauch verarbeitet. Als bewegliches Mittel 52 eignet sich hierfür ein Bimetall, also ein Blech oder Bleche, welche oberhalb eines Schwellenwerts oder eines Schwellenbereichs eine andere Form aufweisen als darunter. Ein Bimetall stellt ein passives Mittel 52 dar, welches ohne elektrischer Energieversorgung funktioniert.
Der in 2 gezeigte Speicher (die Vertiefung) 56 bildet sich somit erst nach dem Abstellen des Fahrzeugs und somit des Brennstoffzellensystems 1 aus. Im betriebskalten Zustand biegen sich die Bleche aus Bimetall dazu so, das sich der Speicher 56 stromab oder stromauf des Bauteils 58 ausbildet. Das Bimetall kann auch so eingerichtet sein, dass es sich im betriebswarmen Zustand bei 70 °C bis 90 °C verbiegt und ein gerader Strömungspfad (Strömungskanal) geformt wird (3).
4 (erste Position des beweglichen Mittels 52) und 5 (zweite Position des beweglichen Mittels 52) zeigen eine zweite bevorzugte Ausgestaltung des Strömungskanals 50. Dieser entspricht weitgehend der Ausgestaltung aus den 2 und 3, jedoch ist das bewegliche Mittel 52 (wieder Bleche aus Bimetall) diesmal innerhalb des Strömungskanals 50 beziehungsweise innerhalb eines Rohrs 60, welches den Strömungskanal 50 ummantelt, angeordnet. Somit kann auch bei einer im Wesentlichen nicht flexiblen Wandung des Rohrs 60 die Funktionalität der Ausgestaltung aus den 2 und 3 erreicht werden. Das bewegliche Mittel 52 kann dabei in der zweiten Position P2 zum Rohr 60 hin weitestgehend abdichten, sodass auch in der Ausgestaltung von 5 keine Vertiefung gebildet wird. Ferner könnte das Mittel 52 das Ansammeln der Flüssigkeit 54 in der Vertiefung 56 aber auch lediglich erschweren oder vermindern, indem in der zweiten Position P2 das Mittel 52 die Vertiefung 56 abdeckt.
In 5 ist auch gut ersichtlich, dass das Mittel 52 einen geraden Strömungspfad (Strömungskanal) formt, und ein Gefälle ausbildet, damit die Flüssigkeit 54 abrinnen kann.
6 und 7 zeigen eine dritte bevorzugte Ausgestaltung des Strömungskanals 50, wobei in 6 die erste Position P1 und in 7 die zweite Position P2 des beweglichen Mittels 52 dargestellt ist. Der Strömungskanal 50 unterscheidet sich von den vorangegangenen Ausgestaltungen dadurch, dass das Mittel 54 diesmal die Bildung der Vertiefung 56 nicht beeinflusst, die Vertiefung 56 stellt somit einen festen Speicher 56 dar. Vielmehr ist das Mittel 54 so stromauf der Vertiefung 56 angeordnet, dass das in der ersten Position P1 des Mittels 54, eine (Gas-) Strömung 62 im Strömungskanal 50 die Flüssigkeit 54 in die Vertiefung 56 treibt (siehe 6). Die Ansammlung der Flüssigkeit 54 in der Vertiefung 56 wird somit gefördert. Die Flüssigkeit 54 sammelt sich somit vor dem Bauteil 58, wodurch das Bauteil 58 vor Beschädigungen und /oder einer betrieblichen Einschränkung durch Eisbildung geschützt wird. Dies kann beispielsweise wieder bei Temperaturen unterhalb von 60 °C erfolgen.
Im in 7 dargestellten Zustand P2 des beweglichen Mittels 52 wird der Strömungskanal 50 und auch der Speicher 56 im betriebswarmen Zustand so durchströmt, dass sich möglichst kein Kondensat ansammelt. Der Strömungskanal 50 kann dabei so ausgebildet sein, dass die Flüssigkeit 54 nicht ausgetragen wird, sondern beispielsweise im kalten Zustand des Brennstoffzellensystems 1 der Speicher 56 entleert wird. Dies kann mittels einer nicht dargestellten Ablassöffnung über ein Ventil (nicht dargestellt) erfolgen. Die Strömungsführung durch den Strömungskanal 50 kann optimiert werden, indem sich das Mittel 52 an eine den Strömungskanal 50 begrenzende Wandkontur anlegt. Beispielsweise kann sich das Bimetall ab einer gewissen (Temperatur-) Schwelle, zum Beispiel wiederum bei Temperaturen größer als 60 °C der Wandkontur angleichen.
Alternativ und je nach tatsächlicher Ausgestaltung des Strömungskanals 50 und genutzter Strömungseffekte könnte auch in 6 die Position P2 und in 7 die Position P1 dargestellt sein. So könnte bereits die in 7 ersichtliche Strömungsumlenkung der Strömung 62 ausreichend sein, damit sich die Feuchtigkeit 54 in der Vertiefung 56 sammelt, aber nicht wieder ausgetragen wird. Zum Austragen der Feuchtigkeit 54 aus der Vertiefung 56 könnte das bewegliche Mittel 52 dann die in 6 gezeigte Position P1 beziehungsweise eine entsprechende Form einnehmen, um die Strömung 62 so durch die Vertiefung 56 hindurchzulenken, dass die bereits angesammelte Flüssigkeit 54 wieder ausgetragen wird oder sich erst gar keine Flüssigkeit 54 ansammelt.
Die in den 6 und 7 dargestellten Mittel 52 eignen sich besonders dafür, als ein Aktor (Aktuator), also ein aktiv mit Energie versorgtes Mittel, ausgebildet zu sein. Prinzipiell können aber auch die Mittel 52 der in den 2 bis 5 ersichtlichen Ausgestaltungen des Strömungskanals 50 als aktives Mittel, beispielsweise als Aktor ausgebildet sein. Der Aktor kann zum Beispiel ein Piezo-Aktor sein. Umgekehrt könnte auch das in den 6 und 7 dargestellte Mittel 52 als ein passives Mittel ausgebildet sein und dazu ein Bimetall umfassen.
Die in den 4 bis 7 dargestellten Strömungskanäle 50 können innerhalb eines Rohrs 60 oder eines Schlauchs 59 ausgebildet sein.
Durch die gezeigten Ausgestaltungen wird ein Eisschutz für Komponenten, also Bauteile 58 des Brennstoffzellensystems 1 realisiert.
Im Übrigen kann man die Lösungen der Ausführungsbeispiele, insbesondere die Ausführungsform der 6 und 7 mit jener der 2 und 3 oder 4 und 5 miteinander kombinieren.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzellenstapel / Brennstoffzelle
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
15: Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)
20: Anodensystem
21: Anodenversorgungspfad
22: Anodenabgaspfad
23: Drucktank
231: Druckregelventil
24: Rezirkulationsleitung
25: Fördereinrichtung/Strömungsmaschine
26: Strahlpumpe
27: Wasserabscheider
28: Spülleitung
29: Spülventil
30: Kathodensystem
31: Kathodenversorgungspfad
32: Kathodenabgaspfad
33: Verdichter
34: Turbine
35: Wastegate-Leitung
36: Stellmittel
37: Befeuchter
50: Strömungskanal
52: bewegliches Mittel
54: Flüssigkeit
56: Vertiefung / Speicher
58: Bauteil
59: Schlauch
60: Rohr
62: (Gas-) Strömung
P1: erste Position
P2: zweite Position

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013011373 A1 [0006]

Claims

Strömungskanal (50), welcher ein zwischen einer ersten Position (P1) und einer zweiten Position (P2) bewegliches Mittel (52) aufweist, wobei der Strömungskanal (50) mittels des beweglichen Mittels (52) so ausgebildet ist, dass in der ersten Position (P1) eine Ansammlung von Flüssigkeit (54) in einer Vertiefung (56) des Strömungskanals (50) ermöglicht oder gefördert wird, während dies in der zweiten Position (P2) verhindert, vermindert oder zumindest nicht gefördert wird.
Strömungskanal (50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Mittel (52) bei einer Temperatur unterhalb eines Schwellenwerts oder Schwellenbereichs die erste Position (P1) und oberhalb des Schwellenwerts oder Schwellenbereichs, die zweite Position (P2) aufweist, wobei der Schwellenwert vorzugsweise zwischen 50 °C und 70 °C, insbesondere zwischen 55 °C und 65 °C beträgt.
Strömungskanal (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Mittel (52) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass in der zweiten Position (P2) eine Bildung der Vertiefung (56) verhindert oder vermindert wird.
Strömungskanal (50) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Mittel (52) derart innerhalb des Strömungskanals (50) angeordnet und ausgebildet ist, dass in der zweiten Position (P2) das Mittel (52) die Vertiefung (56) des Strömungskanals (50) abdeckt.
Strömungskanal (50) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Mittel (52) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass in der ersten Position (P1) die Flüssigkeit (54) in die Vertiefung (56) gelenkt wird.
Strömungskanal (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Mittel (52) passiv temperaturgesteuert ist und insbesondere ein Bimetall umfasst.
Strömungskanal (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Mittel (52) ein aktiv steuerbarer Aktor ist, welcher insbesondere ein Piezoelement umfasst.
Brennstoffzellensystem (1) umfassend wenigstens einen Strömungskanal (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert oder Schwellenbereich einen Übergang zwischen einem kalten und einem betriebswarmen Zustand des Brennstoffzellensystems (1) darstellt.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Strömungskanal (50) in einem Kathodensystem (30) und/oder Anodensystem (20) des Brennstoffzellensystems (1) angeordnet ist.