DE102017215495A1 - Water separator for a fuel cell system, fuel cell system and method for operating a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Wasserabscheider (41) für ein Brennstoffzellensystem (100) mit einem Gehäuse (43), das eine Zuleitung (48) von einem Anodenabgaspfad (22) und eine Ableitung (49) zu dem Anodenabgaspfad (22) aufweist. Der Wasserabscheider (41) weist ferner ein zum Abführen von Wasser aus dem Gehäuse (43) ausgebildetes Steigrohr (44) auf, das ein innerhalb des Gehäuses angeordnetes U-förmiges Endstück (45) aufweist. Mittels einer ersten Öffnung (46) und einer stromabwärts und unterhalb der ersten Öffnung angeordneten zweiten Öffnung (47), die beide in dem U-förmigen Endstück (45) angeordnet sind, kann der Wasserabscheider(41) zuverlässig entleert werden. Der Wasserabscheider (41), der ferner ein Ablassventil (42) in dem Steigrohr (44) aufweist, kann somit auch unter Frostbedingungen zuverlässig betrieben werden.The invention relates to a water separator (41) for a fuel cell system (100) having a housing (43) which has a feed line (48) from an anode exhaust gas path (22) and a discharge line (49) to the anode exhaust gas path (22). The water separator (41) further has a riser pipe (44) formed for discharging water from the housing (43), which has a U-shaped end piece (45) arranged inside the housing. By means of a first opening (46) and a second opening (47) arranged downstream and below the first opening, both of which are arranged in the U-shaped end piece (45), the water separator (41) can be emptied reliably. The water separator (41), which further comprises a drain valve (42) in the riser pipe (44), can thus be reliably operated even under frost conditions.
Description
Die Erfindung betrifft einen Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem mit einem Wasserabscheider gemäß der Erfindung sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung.The invention relates to a water separator for a fuel cell system, a fuel cell system with a water separator according to the invention and a method for operating a fuel cell system according to the invention.
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.Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as a core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a microstructure of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and in each case on both sides of the membrane arranged catalytic electrode (anode and cathode). The latter mostly comprise supported noble metals, in particular platinum. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode arrangement on the sides of the electrodes facing away from the membrane.
In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA 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.As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked MEAs whose electrical powers add up. As a rule, bipolar plates (also called flow field plates or separator plates) are arranged between the individual membrane electrode assemblies, which ensure that the individual cells are supplied with the operating media, ie the reactants, and are usually also used for cooling. In addition, the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff, über ein Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt und unter Abgabe von Elektronen elektrochemisch zu Protonen oxidiert (H2 → 2 H+ + 2 e-). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht und elektrisch voneinander isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet.During operation of the fuel cell, the fuel (anode operating medium), in particular hydrogen, is supplied to the anode via a flux field of the bipolar plate and electrochemically oxidized to protons with release of electrons (H 2 → 2 H + + 2 e - ). About the electrolyte or the membrane, which gas-tight and electrically isolated from each other, the reaction chambers, a transport of protons from the anode compartment into the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line.
Der Kathode wird im Betrieb der Brennstoffzelle Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O2 + 2 e- → O2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2- + 2 H+ → H2O).The cathode is supplied during operation of the fuel cell, oxygen or an oxygen-containing gas mixture (for example air) as a cathode operating medium, so that a reduction of O 2 to O 2- with absorption of the electrons takes place (½ O 2 + 2 e - → O 2-). At the same time, the oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water (O 2- + 2 H + → H 2 O).
Um einen Brennstoffzellenstapel mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist dieser eine Anodenversorgung und eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung weist einen Anodenversorgungspfad für ein Zuführen des Anodenbetriebsmediums in die Anodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Anodenabgaspfad für ein Abführen eines Anodenabgases aus den Anodenräumen heraus auf. Zudem ist eine Rezirkulationsleitung in der Anodenversorgung angeordnet, um nicht verbrauchten und aus dem Brennstoffzellenstapel ausgetragenen Wasserstoff erneut in den Stapel einzuspeisen. Die Kathodenversorgung weist einen Kathodenversorgungspfad für ein Zuführen des Kathodenbetriebsmediums in die Kathodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Kathodenabgaspfad für ein Abführen eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen heraus auf.In order to supply a fuel cell stack with the operating media, this has an anode supply and a cathode supply. The anode supply includes an anode supply path for supplying the anode operating medium into the anode chambers of the fuel cell and an anode exhaust gas path for discharging an anode exhaust gas out of the anode chambers. In addition, a recirculation line is arranged in the anode supply in order to feed unused and discharged from the fuel cell stack hydrogen in the stack again. The cathode supply includes a cathode supply path for supplying the cathode operating medium into the cathode chambers of the fuel cell and a cathode exhaust path for discharging a cathode exhaust gas out of the cathode compartments.
Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems gelangt Wasser auf die Anodenseiten der Brennstoffzellen und sammelt sich schließlich in der Anodenversorgung an, insbesondere in dem Anodenabgaspfad. Das Produktwasser kann zur Schädigung einer in der Rezirkulationsleitung angeordneten Fördereinrichtung sowie zum Blockieren von Strömungswegen führen. Daher ist in der Regel ein Wasserabscheider stromabwärts des Stapels und stromaufwärts der Rezirkulationsfördereinrichtung in dem Anodenabgaspfad angeordnet. Das in dem Wasserabscheider von dem gasförmigen Anodenabgas getrennte Flüssigwasser wird über eine Abgasanlage abgeführt.During operation of the fuel cell system, water reaches the anode sides of the fuel cells and eventually accumulates in the anode supply, particularly in the anode exhaust path. The product water may cause damage to a conveyor arranged in the recirculation line and block flow paths. Therefore, a water separator is usually disposed downstream of the stack and upstream of the recirculation conveyor in the anode exhaust path. The separated in the water from the gaseous anode exhaust gas liquid water is discharged through an exhaust system.
Nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems sollte der Wasserabscheider möglichst vollständig geleert sein, um einen erneuten Start auch im Frostfall gewährleisten zu können. Insbesondere sollte das Vereisen von Ventilen vermieden werden. Dies kann mit bekannten Wasserabscheidern nicht immer gewährleistet werden.After switching off the fuel cell system, the water separator should be emptied as completely as possible in order to ensure a restart even in the event of frost. In particular, the freezing of valves should be avoided. This can not always be guaranteed with known water separators.
Aufgrund des geringen verfügbaren Bauraums für Brennstoffzellensysteme, beispielsweise in Elektro- oder Hybridfahrzeugen, sowie der Anforderung den Abscheider am tiefsten Punkt des Anodenkreislaufs zu positionieren, kann der Abscheider unterhalb einer Zuführung für das abgeschiedene Wasser in eine Abgasanlage angeordnet sein. In diesem Fall ist es erforderlich, das Flüssigwasser aktiv zu fördern.Due to the small available space for fuel cell systems, such as in electric or hybrid vehicles, as well as the requirement to position the separator at the lowest point of the anode circuit, the separator below a feed for the deposited Water can be arranged in an exhaust system. In this case, it is necessary to actively promote the liquid water.
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, in dem das sichere Ablassen von abgeschiedenem Flüssigwasser mit einfachen Mitteln sichergestellt wird, um das Einfrieren von Komponenten des Systems auch im Frostfall zu vermeiden.The invention has for its object to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a fuel cell system in which the safe discharge of separated liquid water is ensured by simple means to prevent the freezing of components of the system even in the event of frost.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen.This object is achieved by a water separator for a fuel cell system, a fuel cell system and a method for operating a fuel cell system according to the respective independent patent claims.
Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf einen Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem, aufweisend ein Gehäuse mit einer Zuleitung von einer Anodenabgasleitung und mit einer Ableitung zu einer Anodenabgasleitung und ein zum Abführen von Wasser aus dem Gehäuse ausgebildetes Steigrohr. Erfindungsgemäß weist das Steigrohr ein innerhalb des Gehäuses angeordnetes U-förmiges Endstück mit einer ersten Öffnung und einer stromabwärts und unterhalb der ersten Öffnung angeordneten zweiten Öffnung auf. Stromabwärts bezieht sich in diesem Zusammenhang auf ein durch das Steigrohr aus dem Wasserabscheider herausströmendes Fluid. Unterhalb bedeutet dabei, dass die zweite Öffnung in lotrechter Richtung einen Abstand zu der ersten Öffnung aufweist. Lediglich klarstellend sei darauf hingewiesen, dass lotrecht dabei die Richtung der lokalen Schwerebeschleunigung bezeichnet. Erfindungsgemäß ist zudem ein Abscheiderventil im Steigrohr angeordnet.A first aspect of the invention relates to a water separator for a fuel cell system, comprising a housing having a lead from an anode exhaust gas line and a lead to an anode exhaust gas line and a riser pipe formed for discharging water from the housing. According to the invention, the riser pipe has a U-shaped end piece arranged inside the housing, with a first opening and a second opening arranged downstream and below the first opening. Downstream in this context refers to a flowing out through the riser from the water separator fluid. Below this means that the second opening in the vertical direction has a distance from the first opening. Merely clarifying it should be noted that perpendicular to the direction of the local gravitational acceleration designates. According to the invention, a separator valve is also arranged in the riser.
Der Wasserabscheider gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht vorteilhaft das Abführen des abgeschiedenen Wassers aus dem Abscheider in einen Kathodenabgaspfad des Brennstoffzellensystems oder in eine Abgasanlage eines Brennstoffzellenfahrzeugs gegen die Schwerkraft aufgrund eines Druckunterschieds über das Abscheiderventil. Das U-förmige Endstück mit der erfindungsgemäßen Anordnung der ersten und zweiten Öffnung verbessert dabei das Froststartverhalten des Wasserabscheiders, wie mit Bezug zum erfindungsgemäßen Verfahren ausführlich erläutert wird. Der Wasserabscheider ist bevorzugt so ausgelegt, dass die erste und zweite Öffnung im Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels unter Wasser liegen. Wird der Brennstoffzellenstapel abgestellt, wird der Wasserabscheider entleert. Dabei wird Wasser mittels des Steigrohrs abgelassen, bis der Pegel auf die Höhe der ersten Öffnung sinkt. Ab diesem Punkt wird Gas durch die erste Öffnung angesaugt, wodurch jedoch im U-förmigen Endstück ein Unterdruck erzeugt und Wasser über die zweite Öffnung angesaugt wird. Folglich fällt der Pegel unter die Höhe der ersten Öffnung.The water separator according to the present invention advantageously enables the discharge of the separated water from the separator into a cathode exhaust path of the fuel cell system or into an exhaust system of a fuel cell vehicle against gravity due to a pressure difference across the separator valve. The U-shaped end piece with the inventive arrangement of the first and second opening thereby improves the frost start behavior of the water separator, as will be explained in detail with respect to the inventive method. The water separator is preferably designed so that the first and second openings are under water during normal operation of the fuel cell stack. If the fuel cell stack is turned off, the water separator is emptied. In this case, water is discharged by means of the riser until the level drops to the height of the first opening. From this point, gas is sucked through the first opening, whereby, however, creates a negative pressure in the U-shaped end piece and water is sucked through the second opening. As a result, the level drops below the height of the first opening.
Das Steigrohr kann, abgesehen vom U-förmigen Endstück, innerhalb und/oder außerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Das Steigrohr stellt einen Strömungspfad aus dem Abscheider zur Verfügung, durch die ein Fluid zumindest anfänglich gegen die Schwerkraft gefördert werden muss. Bevorzugt ist das U-förmige Endstück monolithisch mit dem restlichen Steigrohr ausgebildet oder alternativ fluiddicht mit dem restlichen Steigrohr verbunden. Das U-förmige Endstück weist ein mit dem Steigrohr verbundenes beziehungsweise in dieses übergehendes Ende sowie ein freies Ende auf. Besonders bevorzugt ist die erste Öffnung an oder zumindest nahe dem freien Ende angeordnet. Zwischen dem freien Ende und dem an das Steigrohr anschließenden Ende ist das U-förmige Endstück zumindest annähernd U-förmig mit einem nach oben geöffneten, bevorzugt U-, bogen- oder V-förmigen, Verlauf ausgebildet. Im Rahmen dieser Erfindung bezeichnet U-förmig somit auch ein V-förmig, Parabel-förmig, und/oder Trog-förmig ausgebildetes Endstück. Das U-förmige Endstück kann mit stetiger Krümmung ausgebildet sein oder Knicke aufweisen.The riser may, apart from the U-shaped end piece, be arranged inside and / or outside of the housing. The riser provides a flow path from the separator through which a fluid must at least initially be conveyed against gravity. Preferably, the U-shaped end piece is monolithically formed with the remaining riser or alternatively fluid-tightly connected to the remaining riser. The U-shaped end piece has a connected to the riser or in this transition end and a free end. Particularly preferably, the first opening is arranged on or at least near the free end. Between the free end and the adjoining the riser end of the U-shaped end piece is at least approximately U-shaped with an upwardly open, preferably U, curved or V-shaped course formed. In the context of this invention, U-shaped thus also denotes a V-shaped, parabolic-shaped, and / or trough-shaped tail. The U-shaped end piece may be formed with continuous curvature or have kinks.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserabscheiders ist die zweite Öffnung des U-förmigen Endstücks an einem tiefsten Punkt des U-förmigen Endstücks angeordnet. Auch hierbei bezieht sich tiefster Punkt auf die Richtung der lokalen Schwerebeschleunigung. Ebenfalls bevorzugt ist die zweite Öffnung zumindest nahe des tiefsten Punkts des U-förmigen Endstücks angeordnet. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass beim Entleeren des Wasserabscheiders der Wasserspiegel mit hoher Sicherheit unter die erste Öffnung fällt, welche somit nicht einfrieren kann und auch bei einem Froststart sofort zur Verfügung steht.In a particularly preferred embodiment of the water separator according to the invention, the second opening of the U-shaped end piece is arranged at a lowest point of the U-shaped end piece. Here, too, the lowest point refers to the direction of the local gravitational acceleration. Also preferably, the second opening is arranged at least near the lowest point of the U-shaped end piece. This arrangement has the advantage that when emptying the water separator, the water level falls with high security under the first opening, which thus can not freeze and is immediately available even with a frost start.
In einer ferner bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserabscheiders ist ein abwärts weisendes Rohrstück an dem U-förmigen Endstück angebracht, insbesondere fluiddicht und fluidführend angebracht, und ist die zweite Öffnung in dem abwärts weisenden Rohrstück angeordnet. Besonders bevorzugt ist das abwärts weisende Rohrstück an oder zumindest nahe dem tiefsten Punkt des U-förmigen Endstücks angebracht. Ebenfalls besonders bevorzugt ist die zweite Öffnung an einem freien Ende beziehungsweise am tiefsten Punkt des abwärts weisenden Rohrstücks angeordnet. Das freie Ende bezeichnet dabei das nicht mit dem U-förmigen Endstück verbundene Ende des abwärts weisenden Rohrstücks. Diese Ausführungsform ermöglicht vorteilhaft ein besonders tiefes Absenken des Wasserspiegels im Wasserabscheider unter die erste Öffnung und sogar komplett unter das U-förmige Endstück. Folglich liegen die erste Öffnung sowie das U-förmige Endstück selbst im Falle eines Froststarts frei.In a further preferred embodiment of the water separator according to the invention, a downwardly pointing pipe piece is attached to the U-shaped end piece, in particular fluid-tightly and fluidly mounted, and the second opening is arranged in the downwardly pointing pipe piece. Particularly preferably, the downwardly facing pipe section is at or at least near the lowest point of the U-shaped tail attached. Also particularly preferably, the second opening is arranged at a free end or at the lowest point of the downwardly pointing pipe section. The free end refers to the not connected to the U-shaped end of the end of the downwardly facing pipe section. This embodiment advantageously allows a particularly deep lowering of the water level in the water below the first opening and even completely below the U-shaped tail. Consequently, the first opening and the U-shaped tail are free even in the case of a frost start.
Ebenfalls bevorzugt weist das U-förmige Endstück im Bereich der Abzweigung des abwärts weisenden Rohrstücks eine Verengung auf. Durch die Verengung wird im Bereich der Abzweigung die Strömungsgeschwindigkeit eines durch die erste Öffnung angesaugten Fluides erhöht und somit lokal der Druck verringert. Durch diesen Strahlpumpeneffekt wird verstärkt Wasser durch die zweite Öffnung angesaugt und somit der Wasseraustrag aus dem Wasserabscheider insgesamt verbessert.Also preferably, the U-shaped end piece in the region of the branch of the downwardly facing pipe section on a constriction. As a result of the constriction, the flow velocity of a fluid drawn in through the first opening is increased in the region of the branch and thus the pressure is reduced locally. Through this jet pump effect, water is increasingly sucked in through the second opening, thus improving the overall water discharge from the water separator.
In einer ferner bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserabscheiders weist dieser ein Heizelement auf, das im thermischen Kontakt mit dem Steigrohr beziehungsweise dem U-förmigen Endstück angeordnet ist. Mittels dieses Heizelements können das Steigrohr erwärmt und somit dessen Froststarteigenschaften weiter verbessert werden. Im Fall eines thermisch leitfähigen Steigrohrs kann auch ein außerhalb des Gehäuses angeordnetes Heizelement in gutem thermischen Kontakt mit dem U-förmigen Endstück stehen. Ebenfalls bevorzugt ist das Abscheiderventil selbst als beheizbares Ventil ausgebildet. Durch das bevorzugt thermisch leitfähige Steigrohr, beispielsweise ein metallisches Steigrohr, breitet sich die Wärme von dem beheizbaren Ventil über das Steigrohr zu dem U-förmigen Endstück aus, das somit enteist werden kann. Ein beheizbares Ventil ist bevorzugt nahe des U-förmigen Endstücks angeordnet, da dort eine Vereisung am ehesten zu erwarten ist.In a further preferred embodiment of the water separator according to the invention, this has a heating element, which is arranged in thermal contact with the riser pipe or the U-shaped end piece. By means of this heating element, the riser can be heated and thus its frost start properties can be further improved. In the case of a thermally conductive riser, a heating element disposed outside the housing may also be in good thermal contact with the U-shaped end piece. Also preferably, the separator valve itself is designed as a heatable valve. Due to the preferably thermally conductive riser, such as a metallic riser, the heat from the heated valve via the riser to the U-shaped tail, which can thus be deextended. A heatable valve is preferably arranged close to the U-shaped end piece, since icing is to be expected there most likely.
Ebenfalls bevorzugt sind die Zuleitung von der Anodenabgasleitung und die Ableitung zu der Anodenabgasleitung in einem oberen Bereich des Gehäuses des Wasserabscheiders angeordnet. Ebenfalls bevorzugt sind zwischen den Zuleitungen und dem Bodenbereich Mittel zum Abscheiden von Flüssigwasser angeordnet. Ebenfalls bevorzugt weist der Wasserabscheider einen Füllstandsensor zum Ermitteln oder Erfassen eines Wasserstands in dem Wasserabscheider auf.Also preferably, the supply line from the anode exhaust gas line and the discharge line to the anode exhaust gas line are arranged in an upper region of the housing of the water separator. Also preferably, means for separating liquid water are arranged between the supply lines and the bottom area. Also preferably, the water separator on a level sensor for detecting or detecting a water level in the water separator.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen, eine Kathodenversorgung mit einem Kathodenversorgungspfad und einem Kathodenabgaspfad, eine Anodenversorgung mit einem Anodenversorgungspfad, einem Anodenabgaspfad und einer den Anodenabgaspfad mit dem Anodenversorgungspfad verbindenden Rezirkulationsleitung. Stromaufwärts der Rezirkulationsleitung, bevorzugt stromabwärts des Brennstoffzellenstapels, ist ein Wasserabscheider gemäß der Erfindung, wie vorstehend beschrieben, in dem Anodenabgaspfad angeordnet. Erfindungsgemäß ist das Steigrohr des Wasserabscheiders über eine Ableitung mit der Kathodenabgasleitung oder einer Auspuffanlage eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs verbunden. Alternativ mündet das Steigrohr selbst in den Kathodenabgaspfad beziehungsweise die Abgasanlage.Another aspect of the present invention relates to a fuel cell system comprising a fuel cell stack having a plurality of fuel cells, a cathode supply having a cathode supply path and a cathode exhaust path, an anode supply having an anode supply path, an anode exhaust path, and a recirculation line connecting the anode exhaust path to the anode supply path. Upstream of the recirculation line, preferably downstream of the fuel cell stack, a water separator according to the invention, as described above, is disposed in the anode exhaust path. According to the invention, the riser of the water separator is connected via a drain to the cathode exhaust line or an exhaust system of an electric or hybrid vehicle. Alternatively, the riser itself opens into the cathode exhaust path or the exhaust system.
Im erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ermöglicht der erfindungsgemäße Wasserabscheider vorteilhaft den Austrag von Wasser aus der Anodenversorgung des Brennstoffzellensystems allein aufgrund eines Druckunterschieds über dem Abscheiderventil. Dieser Druckunterschied besteht dabei zwischen dem Inneren des Gehäuses des Wasserabscheiders und dem freien Ende des Steigrohrs beziehungsweise der sich daran anschließenden Ableitung. Bevorzugt wird der Druckunterschied zwischen dem Inneren des Wasserabscheiders und dem Kathodenabgaspfad eines Brennstoffzellensystems zum Austrag von Flüssigwasser aus dem Wasserabscheider genutzt.In the fuel cell system according to the invention, the water separator according to the invention advantageously permits the discharge of water from the anode supply of the fuel cell system solely on the basis of a pressure difference across the separator valve. This pressure difference exists between the interior of the housing of the water separator and the free end of the riser or the subsequent derivation. Preferably, the pressure difference between the interior of the water separator and the cathode exhaust path of a fuel cell system for discharging liquid water from the water separator is used.
Der Druckunterschied über dem Abscheiderventil resultiert während des Normalbetriebs des Brennstoffzellenstapels, das heißt während der Erzeugung elektrischer Energie mit dem Stapel, bevorzugt aus der Menge des in die Anodenversorgung eingespeisten Anodenbetriebsmediums, der Menge des in der Anodenversorgung rezirkulierten Anodenbetriebsmediums und/oder der Menge des in der Anodenversorgung rezirkulierten Anodenabgases (insbesondere Stickstoff) im Verhältnis zum Druck im Kathodenabgaspfad beziehungsweise der Abgasanlage. Ebenfalls bevorzugt beeinflusst der Öffnungsgrad des in dem Steigrohr angeordneten Abscheiderventils diesen Druckunterschied. Auch im abgeschalteten Zustand des Brennstoffzellenstapels wird der Druckunterschied über das Abscheiderventil maßgeblich über die Menge des in den Anodenversorgungspfad zugeführten Anodenbetriebsmediums bestimmt. Insbesondere wird der Druckunterschied stets über ein dem Anodenversorgungspfad aus einem Brennstoffspeicher zugeführtes Anodenbetriebsmedium eingestellt. Alternativ oder zusätzlich wird der Druckunterschied über das Abscheiderventil durch die Förderleistung der in der Rezirkulationsleitung angeordneten Rezirkulationsfördereinrichtung bestimmt. Somit erlaubt die Zufuhr von Anodenbetriebsmedium in den Anodenversorgungspfad, sowie gegebenenfalls der fortgesetzte Betrieb der Rezirkulationsfördereinrichtung, bei abgeschaltetem Stapel das Entleeren des Wasserabscheiders.The pressure differential across the separator valve results during normal operation of the fuel cell stack, that is, during generation of electrical energy with the stack, preferably from the amount of anode operating medium fed to the anode supply, the amount of anode operating medium recirculated in the anode supply, and / or the amount of the anode in the anode supply Anodenversorgung recirculated anode exhaust gas (in particular nitrogen) in relation to the pressure in the cathode exhaust path or the exhaust system. Also preferably, the degree of opening of the separator valve arranged in the riser influences this pressure difference. Even when the fuel cell stack is switched off, the pressure difference across the separator valve is largely determined by the amount of anode operating medium fed into the anode supply path. In particular, the pressure difference is always set via an anode operating medium supplied to the anode supply path from a fuel storage. Alternatively or additionally, the pressure difference across the separator valve is determined by the delivery rate of the recirculation conveyor arranged in the recirculation line. Thus, the supply of anode operating medium into the anode supply path, and optionally continued operation, allows the recirculation conveyor, with the stack off the emptying of the water separator.
Vorteilhaft ist mit dem erfindungsgemäßen Wasserabscheider im Betrieb des Brennstoffzellensystems ein Abführen von Wasser aus dem Gehäuse des Abscheiders gegen die Schwerkraft möglich. Im Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels wird stetig Flüssigwasser aus diesem ausgetragen und im Wasserabscheider abgeschieden. Bevorzugt ist der Wasserabscheider so eingerichtet, beispielsweise durch die Dimensionierung des Gehäuses und die Anordnung des Steigrohrs und des U-förmigen Endstücks, dass sich die erste und zweite Öffnung im Normalbetrieb des Stapels unter Wasser befinden. Somit wird im Betrieb des Brennstoffzellenstapels ein Austrag von eventuell entzündlichem Gas aus dem Wasserabscheider vermieden.Advantageously, with the water separator according to the invention during operation of the fuel cell system, a discharge of water from the housing of the separator against gravity is possible. During normal operation of the fuel cell stack, liquid water is continuously discharged therefrom and separated in the water separator. Preferably, the water separator is arranged, for example by the dimensioning of the housing and the arrangement of the riser and the U-shaped end piece, that the first and second openings are under water during normal operation of the stack. Thus, in the operation of the fuel cell stack, a discharge of any flammable gas from the water is avoided.
Wird der Brennstoffzellenstapel abgeschaltet, versiegt der Wassereintrag in den Abscheider. Der Druckunterschied über das Abscheiderventil kann jedoch auch bei abgeschaltetem Stapel durch fortgesetzte Zufuhr von Anodenbetriebsmittel, insbesondere Wasserstoff, in einen Anodenversorgungspfad aufrechterhalten werden. Bevorzugt erfolgt die Zufuhr von Anodenbetriebsmedium durch Einspeisen von frischem Anodenbetriebsmedium aus einem Brennstoffspeicher in den Anodenversorgungspfad. Besonders bevorzugt erfolgt die fortgesetzte Zufuhr des Anodenbetriebsmittels als Nachdosieren mittels eines stromabwärts des Brennstoffspeichers angeordneten Stellmittels, wie beispielsweise einem Dosierventil. Bevorzugt wird eine Rezirkulationsleitung dabei durchströmt beziehungsweise eine Rezirkulationsfördereinrichtung umströmt, beispielsweise über eine Bypassleitung, oder überströmt. Alternativ oder zusätzlich kann der Druckunterschied über das Abscheiderventil durch fortlaufenden Betrieb einer Rezirkulationsfördereinrichtung aufrechterhalten oder zumindest verstärkt werden. Folglich wird der Abscheider nach Abschalten des Stapels aufgrund des Druckunterschieds entleert, insbesondere da das aus dem Abscheider ausgetragene Wasser nicht durch neu abgeschiedenes Wasser ersetzt wird. Folglich ermöglicht das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem das einfache Entleeren des Wasserabscheiders durch fortgesetzte Zufuhr von Anodenbetriebsmittel, insbesondere Wasserstoff, in einen Anodenversorgungspfad, wie vorstehend beschrieben.If the fuel cell stack is switched off, the water entry into the separator dries up. However, the pressure difference across the separator valve can be maintained even with the stack off by continued supply of anode resources, particularly hydrogen, into an anode supply path. Preferably, the supply of anode operating medium is carried out by feeding fresh anode operating medium from a fuel storage into the anode supply path. Particularly preferably, the continued supply of the anode operating means is carried out as a subsequent metering by means of a downstream of the fuel reservoir arranged adjusting means, such as a metering valve. Preferably, a recirculation line is flowed through or a recirculation conveyor flows around it, for example via a bypass line, or overflowed. Alternatively or additionally, the pressure difference across the separator valve may be maintained or at least enhanced by continued operation of a recirculation conveyor. Consequently, the separator is emptied after switching off the stack due to the pressure difference, in particular because the water discharged from the separator is not replaced by newly separated water. Thus, the fuel cell system of the present invention allows for easy emptying of the water separator by continued supply of anode resources, particularly hydrogen, into an anode supply path as described above.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung, wie vorstehend beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren weist dabei in einer ersten Durchführungsform den Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels, das heißt den Betrieb des Brennstoffzellenstapels zur Stromerzeugung im zulässigen Bereich von dessen Kennfeld, sowie das Abscheiden von Flüssigwasser im Wasserabscheider auf. Ferner wird während des Normalbetriebs des Brennstoffzellenstapels durch sequentielles oder kontinuierlichem Öffnen des Abscheiderventils Flüssigwasser aus dem Wasserabscheider abgelassen. In einem nächsten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst der Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels beendet, beispielsweise durch ein entsprechendes Steuersignal eines Steuergeräts als Reaktion auf eine nachlassende Lastanfrage oder das Abschalten eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, und das Trocknen des Wasserabscheiders eingeleitet. Das Trocknen erfolgt dabei insbesondere durch Zufuhr von Anodenbetriebsmittel, insbesondere Wasserstoff, in einen Anodenversorgungspfad bei geöffnetem Abscheiderventil. Bevorzugt erfolgt die Zufuhr von Anodenbetriebsmedium durch Einspeisen von frischem Anodenbetriebsmedium aus einem Brennstoffspeicher in den Anodenversorgungspfad. Besonders bevorzugt erfolgt die fortgesetzte Zufuhr des Anodenbetriebsmittels als Nachdosieren mittels eines stromabwärts des Brennstoffspeichers angeordneten Stellmittels, wie beispielsweise einem Dosierventil. Besonders bevorzugt dient das Nachdosieren des Anodenbetriebsmediums gleichzeitig dem Herstellen einer Schutzgasatmosphäre auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems und ist ferner bevorzugt Teil einer Abschaltprozedur des Brennstoffzellensystems. Erfindungsgemäß erfolgt der Austrag von Wasser aus dem Abscheider somit, wie vorstehend beschrieben, ohne Eintrag neuen Produktwassers.Another aspect of the invention relates to a method of operating a fuel cell system according to the invention as described above. The inventive method has in a first embodiment, the normal operation of the fuel cell stack, that is, the operation of the fuel cell stack for generating electricity in the allowable range of the map, as well as the separation of liquid water in the water. Further, during normal operation of the fuel cell stack by sequential or continuous opening of the separator valve, liquid water is drained from the water separator. In a next step of the method according to the invention, the normal operation of the fuel cell stack is first terminated, for example initiated by a corresponding control signal of a controller in response to a decreasing load request or the shutdown of an electric or hybrid vehicle, and the drying of the water separator. The drying takes place in particular by supplying anode operating means, in particular hydrogen, into an anode supply path when the separator valve is open. Preferably, the supply of anode operating medium is carried out by feeding fresh anode operating medium from a fuel storage into the anode supply path. Particularly preferably, the continued supply of the anode operating means is carried out as a subsequent metering by means of a downstream of the fuel reservoir arranged adjusting means, such as a metering valve. Particularly preferably, the replenishment of the anode operating medium simultaneously serves to produce a protective gas atmosphere on the anode side of the fuel cell system and is also preferably part of a shutdown procedure of the fuel cell system. According to the invention, the discharge of water from the separator thus takes place, as described above, without entry of new product water.
In einer bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses ferner den Schritt des Erfassens eines Wasserpegels im Gehäuse des Wasserabscheiders auf. Dies ermöglicht vorteilhaft den Trocknungsbetrieb zu stoppen, sobald der Pegel ausreichend gefallen ist. Dies erfolgt insbesondere durch Einstellen der zufuhr von Anodenbetriebsmittel in den Anodenversorgungspfad und Schließen des Abscheiderventils beim Unterschreiten eines vorbestimmten Wasserpegels im Gehäuse des Wasserabscheiders.In a preferred embodiment of the method according to the invention, this further comprises the step of detecting a water level in the housing of the water separator. This advantageously makes it possible to stop the drying operation as soon as the level has fallen sufficiently. This is done in particular by adjusting the supply of anode resources in the anode supply path and closing the Abscheiderventils when falling below a predetermined level of water in the housing of the water separator.
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.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics. The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik; -
2 eine schematische Darstellung eines Wasserabscheiders gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; -
3 eine schematische Darstellung eines Wasserabscheiders gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; -
4 eine schematische Darstellung eines Wasserabscheiders gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel; -
5 eine schematische Darstellung eines Wasserabscheiders gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel; -
6 eine schematische Darstellung eines Wasserabscheiders gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel; und -
7 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem darin angeordneten Wasserabscheider gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
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1 a schematic representation of a fuel cell system according to the prior art; -
2 a schematic representation of a water separator according to a first embodiment; -
3 a schematic representation of a water separator according to a second embodiment; -
4 a schematic representation of a water separator according to a third embodiment; -
5 a schematic representation of a water separator according to a fourth embodiment; -
6 a schematic representation of a water separator according to a fifth embodiment; and -
7 a schematic representation of a fuel cell system according to an embodiment with a water separator arranged therein according to the first embodiment.
Das Brennstoffzellensystem
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
Um den Brennstoffzellenstapel
Die Anodenversorgung
Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten
Ferner ist in dem Anodenabgaspfad
Die Kathodenversorgung
In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Verdichter
Das in
Die Kathodenversorgung
Der Wasserabscheider
Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels
Der Abscheider
Ein erstes Ende
Wie in
Wie in
Der Wasserabscheider
Der Wasserabscheider
Der in der
Der in
Das Brennstoffzellensystem
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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