DE102018106027A1

DE102018106027A1 - Zeitgesteuerter patronenheizkörper für brennstoffzellenausscheidungsablass

Info

Publication number: DE102018106027A1
Application number: DE102018106027.0A
Authority: DE
Inventors: Seha Son
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2018-03-15
Publication date: 2018-09-27
Also published as: US20180277867A1; CN108630965A

Abstract

Ein Fahrzeug wird von einem Brennstoffzellensystem angetrieben. Das Brennstoffzellensystem beinhaltet einen Wasserabscheider mit einem Sammelbehälter zum Ansammeln von Wasser von dem Brennstoffzellensystem. Ein Ablassventil ist an einen durch den Sammelbehälter definierten Ablasskanal gekoppelt und ist dazu konfiguriert, Wasser von dem Sammelbehälter abzulassen, wenn es geöffnet ist. Ein Patronenheizkörper ist innerhalb des Ablasskanals nahe dem Ablassventil positioniert. Eine Steuerung ist dazu konfiguriert, den Patronenheizkörper für eine Dauer, die auf Grundlage einer Umgebungstemperatur variiert, anzuschalten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Anmeldung betrifft im Allgemeinen ein Heizsystem für ein Wasserentfernungssystem für eine Brennstoffzelle.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Fahrzeuge können mit Brennstoffzellensystemen angetrieben werden. Ein Brennstoffzellensystem generiert elektrische Energie durch chemische Reaktionen, die durch Wasserstoff und Sauerstoff, die durch einen Brennstoffzellenstapel zirkulieren, verursacht werden. Ein Nebenprodukt der chemischen Reaktionen ist Wasser. Das Brennstoffzellensystem muss die Ansammlung von Wasser durch Ablassen oder Recyceln bewältigen. In Klimazonen mit sehr kaltem Wetter liegen zusätzliche Herausforderungen vor, um zu verhindern, dass Wasser in dem Brennstoffzellensystem einfriert und Blockaden verursacht.
KURZDARSTELLUNG
Ein Fahrzeug beinhaltet ein Brennstoffzellensystem, das einen Sammelbehälter für Wasser beinhaltet. Das Fahrzeug beinhaltet ferner ein Ablassventil, das an einen durch den Sammelbehälter definierten Ablasskanal gekoppelt und dazu konfiguriert ist, Wasser von dem Sammelbehälter abzulassen, wenn es geöffnet ist. Das Fahrzeug beinhaltet ferner einen Patronenheizkörper, der innerhalb des Ablasskanals und nahe dem Ablassventil positioniert ist. Das Fahrzeug beinhaltet ferner eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, als Reaktion auf eine Brennstoffzellen-Startanforderung den Patronenheizkörper für eine Dauer, die auf Grundlage einer Umgebungstemperatur variiert, anzuschalten.
Der Patronenheizkörper kann an einer Fläche des Sammelbehälters gegenüber dem Ablasskanal an den Sammelbehälter gekoppelt sein. Der Patronenheizkörper kann einen beheizbaren Bereich nahe dem Ablassventil beinhalten, der sich auf Grundlage einer erwarteten Eistiefe in dem Sammelbehälter während Gefrierbedingungen um einen Abstand von dem Ablassventil erstreckt. Der Patronenheizkörper kann zylindrisch geformt sein. Ein Durchmesser des Patronenheizkörpers kann derart sein, dass ein Bereich einer Kanalöffnung, definiert durch einen Querschnittsbereich des Ablasskanals und einen Querschnittsbereich des Patronenheizkörpers, innerhalb des Ablasskanals zumindest gleich einem Bereich ist, der durch eine kreisförmige Öffnung mit einem Zweimillimeterdurchmesser definiert ist. Die Steuerung kann ferner dazu konfiguriert sein, das Ablassventil als Reaktion auf ein Ende der Dauer zu öffnen. Der Patronenheizkörper kann so konfiguriert sein, dass eine Spitze des Patronenheizkörpers, die nahe dem Ablassventil liegt, beheizbar ist. Der Patronenheizkörper kann ein Typ mit geteilter Ummantelung sein.
Ein Brennstoffzellensystem beinhaltet einen Sammelbehälter, der zum Sammeln von Wasser konfiguriert ist, ein Ablassventil, das an einen durch den Sammelbehälter definierten Ablasskanal gekoppelt und dazu konfiguriert ist, Wasser von dem Sammelbehälter abzulassen, wenn es geöffnet ist, einen Patronenheizkörper, der innerhalb des Ablasskanals und nahe dem Ablassventil positioniert ist, und eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, als Reaktion auf eine Brennstoffzellen-Startanforderung den Patronenheizkörper für eine Dauer, die auf Grundlage einer Umgebungstemperatur variiert, anzuschalten.
Der Patronenheizkörper kann an einer Fläche des Sammelbehälters gegenüber dem Ablasskanal an den Sammelbehälter gekoppelt sein. Der Patronenheizkörper kann einen nicht beheizbaren Bereich nahe der Fläche beinhalten, der sich auf Grundlage einer erwarteten Eistiefe in dem Sammelbehälter während Gefrierbedingungen um einen Abstand von der Fläche erstreckt. Der Patronenheizkörper kann einen beheizbaren Bereich nahe dem Ablassventil beinhalten, der sich auf Grundlage einer erwarteten Eistiefe in dem Sammelbehälter während Gefrierbedingungen um einen Abstand von dem Ablassventil erstreckt. Eine Spitze des Patronenheizkörpers und ein Stößel des Ablassventils können um zumindest einen vorbestimmten Spalt getrennt sein. Die Steuerung kann ferner dazu konfiguriert sein, den Patronenheizkörper bei einem Leistungsniveau, das auf Grundlage einer Umgebungstemperatur variiert, anzuschalten. Ein Querschnittsbereich des Patronenheizkörpers kann derart sein, dass eine Kanalöffnung, definiert durch den Ablasskanal, wenn der Patronenheizkörper eingesetzt ist, zumindest gleich einem Bereich ist, der durch eine kreisförmige Öffnung mit einem Zweimillimeterdurchmesser dargestellt ist.
Ein Wasserentfernungssystem für eine Brennstoffzelle beinhaltet einen Sammelbehälter zum Sammeln von Wasser von der Brennstoffzelle und Definieren eines Ablasskanals. Das Wasserentfernungssystem beinhaltet ferner ein Ablassventil, das an einen Ablasskanal gekoppelt und dazu konfiguriert ist, Wasser von dem Sammelbehälter abzulassen, wenn es geöffnet ist. Das Wasserentfernungssystem beinhaltet ferner einen Patronenheizkörper, der an eine Fläche des Sammelbehälters gegenüber dem Ablasskanal gekoppelt ist und sich in den Ablasskanal und nahe dem Ablassventil erstreckt.
Das Wasserentfernungssystem kann ferner eine Steuerung beinhalten, die dazu programmiert ist, als Reaktion auf eine Brennstoffzellen-Startanforderung den Patronenheizkörper für eine Dauer, die auf Grundlage einer Umgebungstemperatur variiert, anzuschalten. Eine Spitze des Patronenheizkörpers, die nahe dem Ablassventil liegt, kann eine beheizbare Spitze sein. Ein Durchmesser des Patronenheizkörpers kann derart sein, dass ein Bereich einer Kanalöffnung, definiert durch einen Querschnittsbereich des Ablasskanals und einen Querschnittsbereich des Patronenheizkörpers, innerhalb des Ablasskanals zumindest gleich einem Bereich ist, der durch eine kreisförmige Öffnung mit einem Zweimillimeterdurchmesser definiert ist. Der Patronenheizkörper kann einen beheizbaren Bereich nahe dem Ablassventil beinhalten, der sich auf Grundlage einer erwarteten Eistiefe in dem Sammelbehälter während Gefrierbedingungen um einen Abstand von dem Ablassventil erstreckt.
Figurenliste

1 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Fahrzeugs, das von einem Brennstoffzellensystem angetrieben wird.
2 veranschaulicht eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform.
3 veranschaulicht eine mögliche Konfiguration für ein Ablassventil und einen Wasserabscheider, der einen Patronenheizkörper enthält.
4 veranschaulicht das Ablassventil und den Wasserabscheider, wenn sich das Fahrzeug auf einer geneigten Fläche befindet.
5 zeigt das Ablassventil und den Wasserabscheider, wenn das Ablassventil offen ist.
6 zeigt das Ablassventil und den Wasserabscheider, wenn das Ablassventil geschlossen ist und zeigt einen Ablasskanal, der durch den Patronenheizkörper geschaffen wird.
7 zeigt das Ablassventil und den Wasserabscheider, wenn das Ablassventil offen ist und zeigt den Ablasskanal, der durch den Patronenheizkörper geschaffen wird.
8 zeigt zeitlichen Verläufe, um die Ausleitung durch eine Eisschicht von zwei Zoll bei einer Spanne von Starttemperaturen einzuleiten.
9 zeigt Verläufe der Patronenheizkörpertemperatur, verursacht durch Betrieb in einem trockenen Wasserabscheider für Zeiträume, die gemäß den Starttemperaturen ausgewählt sind.
10 zeigt ein Flussdiagramm einer möglichen Abfolge von Vorgängen zum Betreiben des Patronenheizkörpers.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hier beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht zwingend maßstabsgetreu; einige Merkmale können stark vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Einzelheiten von bestimmten Komponenten zu zeigen. Dementsprechend sind hierin offenbarte konkrete bauliche und funktionelle Einzelheiten nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Basis, um einen Fachmann eine vielfältige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Der Fachmann auf dem Gebiet wird verstehen, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden können, welche in einer oder mehreren Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, welche nicht explizit veranschaulicht oder beschrieben sind. Die Kombinationen von veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, welche mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, können jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen erwünscht sein.
1 zeigt ein Diagramm eines Fahrzeugs 100. Das Fahrzeug 100 kann von einem Brennstoffzellensystem 200 angetrieben wird. Das Brennstoffzellensystem 200 kann elektrisch an einen Hochspannungsbus 120 gekoppelt sein. Eine Antriebsbatterie 122 kann elektrisch an den Hochspannungsbus 120 gekoppelt sein. Elektrische Verbraucher 108 können elektrisch an den Hochspannungsbus 120 gekoppelt sein. Eine elektrische Maschine 102 kann elektrisch über einen Leistungswechselrichter an den Hochspannungsbus 120 gekoppelt sein. Die elektrische Maschine 102 kann mechanisch an ein Getriebe 104 gekoppelt sein. Das Getriebe 104 kann mechanisch an Antriebsräder 106 des Fahrzeugs gekoppelt sein.
Das Brennstoffzellensystem 200 kann elektrische Leistung bereitstellen, um die elektrische Maschine 102 zu betreiben, um das Fahrzeug 100 anzutreiben oder andere Fahrzeugfunktionen durchzuführen. Das Brennstoffzellensystem 200 kann elektrische Leistung generieren, die von den Komponenten, die an den Hochspannungsbus 120 gekoppelt sind (z. B. elektrische Verbraucher 108), verbraucht werden kann. Die von dem Brennstoffzellensystem 200 generierte elektrische Leistung kann auch von der Antriebsbatterie 122 gespeichert werden. Die elektrische Maschine 102 wandelt die elektrische Energie in mechanische Rotationsenergie um, um das Getriebe 104 anzutreiben. Das Getriebe 104 kann Zahnräder und Kupplungen beinhalten, die dazu konfiguriert sind, die Rotationsenergie der elektrischen Maschine 102 in Rotationsenergie an den Antriebsrädern 106 zu übersetzen.
2 veranschaulicht eine mögliche Konfiguration des Brennstoffzellensystems 200 als ein Prozessablaufdiagramm. Das Brennstoffzellensystem 200 kann eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (proton exchange membrane fuel cell - PEMFC) sein, wie sie auf dem Gebiet bekannt ist. Das Brennstoffzellensystem 200 kann einen Brennstoffzellenstapel 212 enthalten. Der Stapel 212 kann eine Anodenseite 214, eine Kathodenseite 216 und eine Membran 218 dazwischen beinhalten. Das Brennstoffzellensystem 200 kann elektrisch zum Beispiel mit dem Hochspannungsbus 120 oder der Antriebsbatterie 122 kommunizieren und diesen Energie bereitstellen. Der Brennstoffzellenstapel 212 kann zudem eine Kühlschleife (nicht gezeigt) aufweisen.
Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 200 können sich Wasser, übrig gebliebener Brennstoff, wie etwa Wasserstoff, und Nebenprodukte, wie Stickstoff, an der Anodenseite 214 des Brennstoffzellenstapels 212 ansammeln. Das Brennstoffzellensystem 200 kann dazu konfiguriert sein, das flüssige Wasser und die Nebenprodukte zu entfernen und den übrig gebliebenen Wasserstoff und Wasserdampf wiederzuverwenden. Ein Ansatz besteht darin, diese Bestandteile in einem dem Brennstoffzellenstapel 212 nachgelagerten Abscheider 236 zu sammeln, der dazu konfiguriert ist, zumindest einen Teil des flüssigen Wassers und/oder des Stickstoffs abzutrennen und die verbleibenden Bestandteile über einen Rücklauf in einer Rückführungsschleife zum Brennstoffzellenstapel 212 zurückzuführen.
Eine primäre Brennstoffquelle 222 kann mit der Anodenseite 214 des Brennstoffzellenstapels 212 verbunden sein, wie etwa eine primäre Wasserstoffquelle. Nicht einschränkende Beispiele der primären Wasserstoffquelle 222 können einen Hochdruck-Wasserstoffspeichertank oder eine Hydridspeichervorrichtung beinhalten. Die Wasserstoffquelle 222 kann mit einer oder mehreren Ausstoßvorrichtungen 224 verbunden sein. Die Ausstoßvorrichtung 224 kann eine Düse 226 aufweisen, die Wasserstoff in den konvergierenden Bereich einer Konvergier-/Divergierdüse 228 zuführt. Der divergierende Bereich der Düse 228 kann mit dem Eingang 230 der Anodenseite 214 verbunden sein.
Der Ausgang 232 der Anodenseite 214 kann mit einer passiven Rückführungsschleife 234 verbunden sein. Typischerweise wird ein Überschuss an Wasserstoff an der Anodenseite 214 bereitgestellt, um sicherzustellen, dass ausreichend Wasserstoff für alle Zellen in dem Stapel 212 verfügbar ist. Mit anderen Worten wird dem Brennstoffzellenstapel 212 Wasserstoff über einem stöchiometrischen Verhältnis von eins bereitgestellt, d. h. einem brennstoffreichen Verhältnis in Bezug auf genaue elektrochemische Bedürfnisse. Die Rückführungsschleife 234 wird so bereitgestellt, dass der überschüssige Wasserstoff, der von der Anodenseite 214 nicht verbraucht wird, zum Eingang 230 zurückgeführt wird, so dass der Überschuss verwendet werden kann und nicht vergeudet wird.
Zusätzlich ist angesammeltes Flüssigphasen- und Dampfphasenwasser eine Ausgabe der Anodenseite 214. Die Anodenseite 214 erfordert Befeuchtung für eine effiziente chemische Umwandlung und um die Lebensdauer der Membran zu verlängern. Die Rückführungsschleife 234 kann verwendet werden, um Wasser zum Befeuchten des Wasserstoffgases vor dem Eingang 230 der Anodenseite 214 bereitzustellen.
Die Rückführungsschleife 234 kann einen Abscheider 236 oder eine Wasserausscheidungsvorrichtung beinhalten. Der Abscheider 236 nimmt einen Strom oder eine Fluidmischung aus Wasserstoffgas, Stickstoffgas und Wasser vom Ausgang 232 der Anodenseite 214 auf. Das Wasser kann gemischtphasig sein und sowohl Flüssigphasen- als auch Dampfphasenwasser enthalten. Der Abscheider 236 kann einen Sammelbehälter zum Halten eines vorbestimmten Wasservolumens beinhalten. Der Abscheider 236 entfernt zumindest einen Teil des Flüssigphasenwassers, das den Abscheider durch eine Ablassleitung 238 verlassen kann. Zumindest ein Teil des Stickstoffgases, des Wasserstoffgases und des Dampfphasenwassers kann ebenfalls die Ablassleitung 238 verlassen und durch ein Steuerventil 239 (das auch als ein Ablassventil bezeichnet werden kann) hindurchtreten, zum Beispiel während einem Spülvorgang des Brennstoffzellenstapels 212. Das Steuerventil 239 kann eng mit dem Abscheider 236 abgestimmt sein. Der Rest des Fluids in dem Abscheider 236 tritt durch einen Durchgang 240 in der Rückführungsschleife 234 aus, der mit der Ausstoßvorrichtung 224 verbunden ist. Das Fluid im Durchgang 240 wird in den konvergierenden Bereich der Konvergier-/Divergierdüse 228 eingeleitet, wo es sich mit ankommendem Wasserstoff von der Düse 226 und der Wasserstoffquelle 222 vermischt.
Flüssiges Wasser kann durch den Abscheider 236 von der Anodenseite 214 entfernt werden, um Wasserblockaden innerhalb der Kanäle und Zellen der Anodenseite 214 zu verhindern. Wasserblockaden innerhalb des Brennstoffzellenstapels 212 können zu Abnahme der Zellenspannung und/oder Spannungsinstabilitäten innerhalb des Brennstoffzellenstapels 212 führen. Flüssiges Wasser kann zudem von dem Abscheider 236 entfernt werden, um eine Blockade oder teilweise Blockade innerhalb der Ausstoßvorrichtung 224 zu verhindern. Ein Tröpfchen flüssiges Wasser in dem divergierenden Bereich der Konvergier-/Divergierdüse 228 würde im Endeffekt einen zweiten Venturi-Bereich innerhalb der Düse 228 schaffen und zu Pumpinstabilitäten für die Ausstoßvorrichtung 224 führen.
Die Kathodenseite 216 des Stapels 212 nimmt Sauerstoff zum Beispiel als ein Bestandteil in einer Luftquelle 242 auf. In einer Ausführungsform wird ein Verdichter 244 von einem Motor 246 angetrieben, um den ankommenden Sauerstoff mit Druck zu beaufschlagen. Die druckbeaufschlagte Luft wird dann von einem Befeuchter 248 befeuchtet, bevor sie an der Kathodenseite 216 eintritt. Ein weiterer Abscheider 250 (mit gestrichelter Linie gezeigt) kann dem Befeuchter 248 nachgelagert positioniert sein. Der Abscheider 250 kann verwendet werden, um flüssiges Wasser aus der befeuchteten Luftströmung zu entfernen, bevor sie an der Kathodenseite 216 des Stapels 212 am Eingang 252 eintritt. Wassertröpfchen können stromabwärts des Befeuchters 248 vorhanden sein, da flüssiges Wasser von hohen Luftströmungsraten innerhalb des Befeuchters 248 mitgerissen wird. Flüssiges Wasser kann durch den Abscheider 250 entfernt werden, um Wasserblockaden innerhalb der Zellen der Kathodenseite 216, die zu Abnahme der Zellenspannung und/oder Instabilitäten innerhalb des Brennstoffzellenstapels 212 führen, zu verhindern. Der Kathodenstapelauslass 254 der Kathodenseite 216 ist mit einem Ventil 256 verbunden. Die Ablassleitung 238 vom Abscheider 236 und eine Ablassleitung 258 vom Abscheider 250 können nach dem Ventil 256 zu einer Leitung 260 verbunden werden. In anderen Ausführungsformen können die Ablassleitungen an andere Stellen des Brennstoffzellensystems 200 gelötet sein.
Andere Systemarchitekturen für das Brennstoffzellensystem 200 können ebenfalls verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Turbine zusätzlich zu dem Verdichter 244 verwendet werden, um eine Strömung durch die Kathodenseite 216 hervorzurufen. In einem Beispiel ist eine Turbine dem Kathodenstapelauslass 254 nachgelagert positioniert, wobei ein Abscheider zwischen der Kathodenseite 216 und der Turbine eingefügt ist, um flüssiges Wasser zu entfernen, bevor der Fluidstrom in die Turbine eintritt.
Auf Grundlage der Verwendung der Ausstoßvorrichtung 224, um eine Strömung durch die Anodenseite 214 zu schaffen und eine Strömung durch die passive Rückführungsschleife 234 hervorzurufen, muss die Ausstoßvorrichtung 224 jegliche Druckabfälle in dem System überwinden, was einen typischerweise deutlichen Druckabfall über den Brennstoffzellenstapel 212 einschließt. Das gezeigte System 200 beinhaltet keine Pumpe oder andere Vorrichtung, um eine Strömung in der Rückführungsschleife 234 hervorzurufen, so dass die gesamte Kompressionsarbeit von der Ausstoßvorrichtung bewerkstelligt wird, die ansonsten als eine Strahlpumpe beschrieben wird. Um diese Funktion zu ermöglichen, kann über dem Abscheider 236 ein geringer Druckabfall vorhanden sein. Der Abscheider 236 kann dazu konfiguriert sein, größere Wassertröpfchen aus dem Fluid zu entfernen, um Wasserblockaden in der Rückführungsströmung in dem Brennstoffzellenstapel 212 oder der Ausstoßvorrichtung 224, die durch Tröpfchen verursacht werden, zu verhindern. Der Abscheider 236 lässt zu, dass Dampfphasenwasser und kleinere Wassertröpfchen in der Rückführungsströmung im Durchgang 240 verbleiben und zur Ausstoßvorrichtung 224 für Befeuchtungszwecke zurückkehren. In einem Beispiel entfernt der Abscheider 236 Wassertröpfchen mit einem Durchmesser in der Größenordnung von einem Millimeter oder größer.
Zusätzlich kann der Abscheider 236 zur Verwendung mit Wasserstoffgas konzipiert sein, da der Abscheider 236 eine Fluidströmung von der Anodenseite 214 aufnimmt. Allgemein kann Wasserstoffgas einen Materialabbau oder Versprödungsprobleme verursachen und kann das im Abscheider 236 verwendete Material wasserstoffkompatibel sein. Zusätzlich ist Wasserstoff ein kleines Molekül und viele herkömmliche Abscheidervorrichtungen sind nur zur Verwendung mit Wasserstoff geeignet, da ihre Konstruktion Lecks zulassen können, zum Beispiel bei einer herkömmlichen Gewindeverbindung. Andere herkömmliche Abscheider können drehende oder bewegliche Teile enthalten, wie ein drehendes Flügelrad oder dergleichen, die möglicherweise nicht mit Wasserstoff kompatibel sind, da das Schmiermittel den Brennstoffzellenstapel verunreinigen kann oder der Wasserstoff das Schmiermittel abbauen oder zersetzen kann.
Der Abscheider 250 muss auch größere Wassertröpfchen aus dem Fluid entfernen, um Wasserblockaden zu verhindern, die durch Tröpfchen in der Strömung in der Kathodenseite 216 des Brennstoffzellenstapels 212 verursacht werden. Der Abscheider 250 lässt zu, dass Dampfphasenwasser und kleinere Wassertröpfchen in der Strömung zur Befeuchtung verbleiben. In einer Ausführungsform entfernt der Abscheider 250 Wassertröpfchen, die die gleiche oder eine größere Größe aufweisen als die Strömungsfeldkanalbreiten der Kathodenseite 216. In einem Beispiel können die Strömungsfeldkanäle der Kathodenseite zwischen 0,2 und 1,0 Millimeter liegen.
3 zeigt eine mögliche Konfiguration für den Abscheider 236 und ein Ablassventil 239. Die zu beschreibenden Merkmale betreffen den Abscheider 236, der die Funktion des Ansammelns und Enfernens von flüssigem Wasser aus dem Brennstoffzellensystem 200 durchführt. Das Ablassventil 239 kann ein Solenoidventil sein, das einen beweglichen Kolben oder Stößel 310 beinhaltet, der dazu konfiguriert ist, sich zu bewegen, wenn das Solenoid erregt oder angeschaltet wird. Das Ablassventil 239 kann an den Abscheider 236 gekoppelt sein, so dass ein Eingangsanschluss des Ablassventils 239 an einem Fluidauslass oder einem Ablasskanal 316 des Abscheiders 236 befestigt ist. Der Ablasskanal 316 kann ein Abschnitt des Abscheiders 236 sein, der an einem Boden des Sammelbehälters definiert ist, so dass sich flüssiges Wasser bei vertikaler Ausrichtung in dem Ablasskanal 316 ansammelt. Ein Auslassanschluss 308 des Ablassventils 239 kann dazu konfiguriert sein zuzulassen, dass Fluid aus dem Abscheider 236 fließt, wenn das Solenoid erregt wird. Das Ablassventil 239 kann ein normal geschlossenes Ventil sein. Im geschlossenen Zustand kann der Stößel 310 alle Durchlässe zwischen dem Einlassanschluss und dem Auslassanschluss 308 des Ablassventils 239 abdichten. Im offenen Zustand ist der Stößel 310 so positioniert, dass eine Fluidströmung zwischen dem Einlassanschluss und dem Auslassanschluss 308 ermöglicht wird. Zusätzliche Rohrleitungen können an den Auslassanschluss 308 gekoppelt sein, um Wasser, das in dem Abscheider vorhanden ist, zur Rückführung oder Entfernung zu befördern.
Während des Brennstoffzellenbetriebs kann sich Wasser in dem Abscheider 236 sammeln. Das Brennstoffzellensystem kann einen Wasserstand 306 innerhalb des Abscheiders 236 auf einen vorbestimmten Stand steuern. Während des Brennstoffzellenbetriebs gibt es möglicherweise einen bevorzugten Wasserstand für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 200. Ferner kann das Brennstoffzellensystem 200 während des Herunterfahrens dazu konfiguriert sein, Wasser aus dem Abscheider 236 zu spülen, um sich auf den nächsten Betriebszyklus vorzubereiten. Das Spülen von Wasser kann auch das Risiko des Einfrierens bei kalter Witterung reduzieren. Während des Brennstoffzellenbetriebs kann das Ablassventil 239 periodisch betätigt werden, um zu ermöglichen, dass Wasser aus dem Abscheider 236 fließt, um den bevorzugten Wasserstand aufrechtzuerhalten.
4 zeigt den Wasserabscheider 236, wenn sich das Fahrzeug 100 auf einer geneigten Fläche befindet. Man kann beobachten, dass ein schräger Wasserstand 314 den Ablasskanal 316 immer noch bedecken kann, so dass Wasser immer noch durch Betätigen des Stößels 310 von dem Abscheider 236 entfernt werden kann.
5 zeigt den Abscheider 236 mit dem Stößel 310 in der offenen Position (z. B.
erregter Solenoid). Man kann beobachten, dass der Abflusskanal 316 mit dem Auslassanschluss 308 fluidverbunden ist, wenn der Stößel 310 in der offenen Position ist. Somit kann angesammeltes Wasser in dem Abscheider 236 durch den Ablasskanal 316 zum Auslassanschluss 308 fließen. Auf diese Weise kann der Wasserstand im Abscheider 236 reduziert werden.
Wasser, das sich im Abscheider 236 gesammelt hat, ist problematisch bei gefrierenden Wetterbedingungen. Nach einiger Zeit bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt kann Wasser innerhalb des Brennstoffzellensystems 200 einfrieren und Eis bilden. Gefrorenes Wasser im Abscheider 236 kann den Ablasskanal 316 blockieren und verhindern, dass Wasser aus dem Abscheider 236 austritt. Zusätzlich kann Wasser um den Stößel 310 einfrieren und eine Bewegung des Stößels 310 verhindern. Eis im Abscheider 236 kann verursachen, dass der Wasserstand zu hoch wird und schließlich einen optimalen Betrieb des Brennstoffzellensystems 200 behindert. Somit können verschiedene Systeme eingesetzt werden, um das Auftreten von Eis in dem Brennstoffzellensystem 200 zu reduzieren.
Frühere Lösungen beinhalten die Verwendung eines Spülbehälters, der ein kleinerer Sammelbehälter ist, in den der Abscheider ablässt. Das Ablassventil ist dann am Auslass des Spülbehälters befestigt. Bei der Konfiguration mit Spülbehälter liegt das Ablassventil auf einem höheren Niveau als der Spülbehälter. Wasser kann in dem Spülbehälter einfrieren und schließlich die Volumengröße des Spülbehälters überschreiten, was zu einer Blockade führt. Auf geneigten Flächen kann Wasser in dem Spülbehälter einfrieren, was zu Blockaden führt. Zusätzlich kann Feuchtigkeit in der Nähe des Ablassventils ein Einfrieren verursachen, was zur Notwendigkeit für ein beheizbares Ablassventil führt. Andere Lösungen beinhalten die Verwendung eines beheizbaren Ablassventils. Ein beheizbares Ablassventil dient dazu, eine Bewegung des Ventils zuzulassen, schmilzt aber nicht notwendigerweise Eis, um eine Ausleitung einzuleiten.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3 kann ein Patronenheizkörper 300 innerhalb des Abscheiders 236 eingebaut sein, um Einfrieren von Wasser zu verhindern. Der Patronenheizkörper 300 kann einen beheizbaren Bereich 302 und einen nicht beheizbaren Bereich 304 beinhalten. Der beheizbare Bereich 302 kann ein Heizelement beinhalten. Das Heizelement kann ein Widerstandselement sein, das Wärme generiert, wenn Strom hindurchfließt. Der beheizbare Bereich 302 kann mit dem Ablasskanal 316 positioniert und nahe dem Ablassventil 239 sein. Der Patronenheizkörper 300 kann an einer Fläche gegenüber dem Ablasskanal 316 an den Abscheider 236 gekoppelt sein. Zum Beispiel kann der Patronenheizkörper 300 an der obersten Fläche des Abscheiders 236 aufgehängt sein oder anderweitig an diese gekoppelt sein. Der nicht beheizbare Bereich 304 kann Leiter zum Koppeln des Patronenheizkörpers 300 an eine Steuerung 312 passieren. Der Patronenheizkörper 300 kann als ein steifer Schaft konfiguriert sein, um Bewegung zu minimieren. Der Patronenheizkörper 300 kann so eingebaut sein, dass sich der beheizbare Bereich 302 innerhalb des Ablasskanals 316, der durch den Abscheider 236 definiert ist, befindet. Um eine feststehende Position innerhalb des Ablasskanals 316 aufrechtzuerhalten, kann eine Gewindemuffe oder ein Flansch genutzt werden, um den Patronenheizkörper 300 am Abscheider 236 zu sichern.
Die Länge des beheizbaren Bereichs 302 nahe dem Ablassventil kann sich basierend auf einer erwarteten Eistiefe in dem Sammelbehälter während Gefrierbedingungen um einen Abstand von dem Ablassventil 239 erstrecken. Die Länge des beheizbaren Bereichs 302 kann so konfiguriert sein, dass sich der beheizbare Bereich 302 um einen Abstand von einer Spitze des beheizbaren Bereichs 302 nahe dem Ablassventil 239 zu einer maximal erwarteten Eis- oder Wasserflächendicke innerhalb des Abscheiders 236 erstreckt. Das heißt, der beheizbare Bereich 302 sollte sich von dem Ablassventil 239 durch jegliches gebildete Eis erstrecken, um ein Schmelzen zu ermöglichen. Der beheizbare Bereich 302 kann so bemessen sein, dass das Anschalten des Heizelements einen Kanal schmilzt, der ermöglicht, dass Wasser, das im Abscheider zugefügt ist, durch den Ablasskanal 316 fließen kann. Die Erstreckung des beheizbaren Bereichs 302 über den maximal erwarteten Eis-/Wasserstand trägt nicht zum Schmelzen des Eises bei und kann den Leistungsverbrauch erhöhen.
Die normale Öffnung des Ablasskanals 316 kann wünschenswerterweise zwischen 2 Millimeter und 5 Millimeter liegen. Das Einführen des Patronenheizkörpers 300 kann eine wirksame Öffnung des Ablasskanals 316 verändern. Somit können Konstruktionsparameter ausgewählt werden, um sicherzustellen, dass die wirksame Öffnung für den Brennstoffzellenbetrieb ausreichend ist. Ein Durchmesser des Patronenheizkörpers 300 kann derart sein, dass ein Bereich einer Kanalöffnung, definiert durch einen Querschnittsbereich des Ablasskanals 316 und einen Querschnittsbereich des Patronenheizkörpers 300, innerhalb des Ablasskanals 316 zumindest gleich einem Bereich ist, der durch eine kreisförmige Öffnung mit einem Zweimillimeterdurchmesser definiert ist. Zum Beispiel sei angenommen, dass ein kreisförmiger Ablasskanal einen Durchmesser von 5 Millimeter aufweist. Ein im Handel verfügbarer Patronenheizkörper kann einen Durchmesser von 1/8 Zoll (3,175 Millimeter) aufweisen. Beim Einführen des 1/8-Zoll-Patronenheizkörpers in die 5-Millimeter-Öffnung verbleibt eine Öffnung gleich einer kreisförmigen Öffnung mit einem Durchmesser von 3,86 Millimeter. Eine ähnliche Analyse kann für andere Konfigurationen durchgeführt werden. Durch richtige Auswahl der Durchmesser des Ablasskanals 316 und des Patronenheizkörpers 300 kann eine adäquate Strömung durch den Ablasskanal 316 sichergestellt werden. Es sei angemerkt, dass andere Kombinationen zusätzlich zu dem dargestellten Beispiel möglich sind.
Eine Spitze des beheizbaren Bereichs 302 kann angrenzend an den Stößel 310 liegen. Der Patronenheizkörper 300 kann mit einer beheizbaren Spitze konfiguriert sein, um das Schmelzen von Eis, das die Bewegung des Stößels 310 behindern kann, zu ermöglichen. Ein vorbestimmter Spalt kann zwischen der Spitze und dem Stößel 310 vorhanden sein, so dass die Spitze den Stößel 310 nicht berührt. Auch wenn kein Kontakt zwischen dem Ablasskanal 316 und dem Patronenheizkörper 300 gewünscht sein mag, ist ein Kontakt nicht unbedingt schädlich, da nicht prognostiziert wird, dass die erwarteten Temperaturen eine der Flächen nachteilig beeinträchtigt. Jedoch kann ein Spalt bevorzugt sein, um eine Behinderung der Bewegung des Stößels 310 zu verhindern.
Der Patronenheizkörper 300 kann zylindrisch geformt sein. In einigen Konfigurationen kann der Patronenheizkörper 300 ein Patronenheizkörper vom Typ mit geteilter Ummantelung sein. Der Patronenheizkörper mit geteilter Ummantelung beinhaltet zwei Beine, die sich ausdehnen können, wenn der Heizkörper angeschaltet wird. Zusätzlich können sich die Beine in ihre ursprüngliche Position zusammenziehen, wenn der Heizkörper abgeschaltet wird. Dies kann dabei helfen, die Größe des Ablassdurchlasses, der in das Eis geschmolzen wird, zu vergrößern.
Der nicht beheizbare Bereich 304 kann als eine Leitungssperre dienen, so dass Drähte, die nach außerhalb des Abscheiders 236 führen, nahe der Umgebungstemperatur bleiben. Dies vermeidet Heizzyklen der Verkabelung und Isolierung, die zu einem Abbau führen können.
Der Patronenheizkörper 300 kann elektrisch an die Steuerung 312 gekoppelt sein. Die Steuerung 312 kann das Heizelement innerhalb des beheizbaren Bereichs 302 anschalten, um einen Temperaturanstieg zu verursachen. Die Steuerung 312 kann dazu konfiguriert sein, die Leistung, die dem Patronenheizkörper 300 zugeführt wird, zu variieren. Zum Beispiel kann die Steuerung 312 eine Festkörper-Treiberschaltung beinhalten, die den dem Patronenheizkörper 300 zugeführten Strom variieren kann. Zum Beispiel kann ein pulsweitenmoduliertes Signal bereitgestellt werden, um den Strom, der durch den Patronenheizkörper 300 fließt, zu modulieren.
6 zeigt den Abscheider in einem gefrorenen Zustand. Wasser in dem Abscheider 236 kann einfrieren und Eis 320 bilden. Die Dicke des Eises kann von dem Wasserstand im Abscheider 236, der Temperatur und der Dauer der Gefrierbedingungen abhängen. Vor einem Erwärmen kann das Eis 320 den Ablasskanal 316 vollständig blockieren. In diesem Zustand wird verhindert, dass Wasser, das in den Abscheider 236 eintritt, abläuft. Die Steuerung 312 kann dazu konfiguriert sein, den Patronenheizkörper 300 anzuschalten, um das Eis 320 zu schmelzen. Beim Starten der Brennstoffzelle kann der Patronenheizkörper 300 für eine Zeitdauer angeschaltet werden. Wenn er angeschaltet ist, verursacht der beheizbare Bereich 302 des Patronenheizkörpers 300, dass das angrenzende Eis schmilzt. Zusätzlich verursacht die Spitze des beheizbaren Bereichs 302 ein Erwärmen des Stößels 310. Das Ergebnis des Erwärmens ist, dass ein Kanal 322 zwischen dem Eis 320 und dem beheizbaren Bereich 302 gebildet wird. Zusätzlich wird jegliches Eis angrenzend an den Stößel 310 geschmolzen. Der Kanal 322, der gebildet wird, kann allgemein wie der Patronenheizkörper 300 geformt sein. Wenn die Brennstoffzelle arbeitet, steigt die Temperatur des Luft und des Wassers, die in den Abscheider 236 eintreten, wodurch ein weiteres Schmelzen verursacht wird.
Der Heizvorgang kann wiederholt werden. Zum Beispiel kann der Patronenheizkörper 300 nach einer vorbestimmten Abschaltzeit wieder angeschaltet werden. Die vorbestimmte Abschaltzeit kann ausgewählt werden, um sicherzustellen, dass der Patronenheizkörper 300 unter einer vorbestimmten Temperatur liegt. Die Wiederholung des Vorgangs kann auch durch andere Sensoren ausgelöst werden. Zum Beispiel kann ein Wasserstandsensor im Abscheider 236 angeben, dass der Wasserstand nicht wie erwartet sinkt. Andere Leistungsmaße des Brennstoffzellenbetriebs können ebenfalls angeben, dass der Abscheider 236 nicht richtig ablässt. Diese Zustände können einen weiteren Versuch für einen Heizzyklus auslösen, um verbleibendes Eis, das die Wasserströmung blockieren kann, zu entfernen.
Die Betätigung des Stößels 310 koppelt den Ablasskanal 316 an den Auslassanschluss 308, wie in 7 gezeigt ist. Somit ermöglicht der vom Patronenheizkörper 300 erzeugte Kanal 322, dass Wasser zum Auslassanschluss fließt. Wenn die Brennstoffzelle arbeitet, wird zusätzliches Wasser mit einer Temperatur über dem Gefrierpunkt zum Abscheider 236 hinzugefügt. Das hinzugefügte zusätzliche Wasser verursacht ein weiteres Schmelzen des Eises 320.
8 zeigt einen Verlauf 800, der eine Zeitdauer, um einen Durchlass durch ein zwei Zoll dickes Eis zu schmelzen, für zwei unterschiedliche Leistungsniveaus zeigt. Der Verlauf 800 stellt ein Beispiel dar, in dem der Patronenheizkörper ein Patronenheizkörper mit acht Zoll Durchmesser ist, der eine Länge von zwei Zoll aufweist. Eine erste Kurve 802 zeigt die Zeit bis zur Ausleitung für einen Heizkörper, der bei 10 Watt arbeitet. Eine zweite Kurve 804 zeigt die Zeit bis zur Ausleitung für einen Heizkörper, der bei 20 Watt arbeitet. Der Verlauf 800 unterstellt Bedingungen, bei denen das Eis im Abscheider 236 eine Dicke von zwei Zoll aufweist. Die erste Kurve 802 und die zweite Kurve 804 zeigen die Zeitdauer, um einen Ausleitungspfad zu schmelzen, beginnend bei einer Spanne von Anfangstemperaturen. Zum Beispiel beträgt die Zeit zum Einleiten der Ausleitung durch einen zwei Zoll dicken Eisblock bei -25 °C unter Verwendung einer Leistung von 20 Watt 8,3 Sekunden.
9 zeigt einen Verlauf 810, der die Heizkörpertemperatur zeigt, wenn das Heizelement für eine Dauer, wie in 8 festgelegt, unter trockenen Bedingungen angeschaltet wird. Der Verlauf 810 zeigt die Temperatur des Patronenheizkörpers im Falle eines Anschaltens für eine Dauer ohne Eis im Abscheider 236. Eine erste Temperaturkurve 812 entspricht dem Anschalten des Heizkörpers bei 10 Watt. Eine erste Temperaturkurve 814 entspricht dem Anschalten des Heizkörpers bei 20 Watt. Zum Beispiel ist die maximal erreichte Temperatur, beginnend bei -25 °C unter Verwendung einer Leistung von 20 Watt für eine Dauer von 8,3 Sekunden, wenn kein Eis/Wasser vorhanden ist, 96 °C.
Sogar wenn eine Starttemperatur von 50 °C (122 °F) unterstellt wird, führt das Anwenden des Heizkörpers bei 20 Watt über 8,3 Sekunden zu einer Heizkörpertemperatur von 171 °C. Es kann wünschenswert sein zu verhindern, dass der Heizkörper Temperaturen verursacht, die einen Abbau im System verursachen kann. Das System kann konzipiert sein, um hohe Temperaturen zu verhindern und/oder Materialen nutzen, die hohe Temperaturen aushalten können. Ein möglicher Schwachpunkt in einem Patronenheizkörper kann der Verbindungspunkt der Leitungsdrähte sein. Falls die Leitungsdrähte mit Teflon ummantelt sind, kann die Temperatur reguliert werden, so dass sie unter 250 °C bleibt, um einen Abbau der Ummantelung zu verhindern. Ein weiterer möglicher Schwachpunkt ist die Fläche des Stößels 310. Zum Beispiel kann das Ablassventil 239 eine Fläche beinhalten, die aus einem Ethylen-Propylen-Dien-Monomer(EPDM)-Gummi besteht. Der EPDM-Gummi kann die Dichtung bereitstellen, um eine Leckage zu verhindern, wenn das Ventil nicht angeschaltet ist. Der EPDM-Gummi kann sich bei Temperaturen über 150 °C abbauen. Da jedoch ein Spalt zwischen der Heizkörperspitze und dem Stößel 310 vorhanden ist, kann die Temperatur an der Fläche des Stößels 310 innerhalb einer annehmbaren Spanne aufrechterhalten werden, auch unter schlechtesten Bedingungen. Wenn zum Beispiel die Starttemperatur über einem vorbestimmten Temperaturniveau liegt (z. B. 50 °C), dann wird der Heizkörper möglicherweise nicht angeschaltet, da keine Gefrierbedingungen vermutet werden.
Der Patronenheizkörper 300 kann für eine vorbestimmte Dauer angeschaltet werden. Die vorbestimmte Dauer kann von der Umgebungslufttemperatur beim Starten der Brennstoffzelle abhängen. Das Fahrzeug 100 kann einen oder mehrere Temperatursensoren beinhalten. Der Temperatursensor kann einen Umgebungslufttemperatursensor beinhalten. Die Temperatursensoren können elektrisch an die Steuerung 312 gekoppelt sein oder anderweitig mit der Steuerung 312 in Kommunikation stehen.
Ein Vorteil des Heizsystems ist, dass keine zusätzlichen Sensoren erforderlich sind. Zum Beispiel werden keine Temperatursensoren, die den Patronenheizkörper 300 überwachen, verwendet. Der Patronenheizkörper 300 wird für eine vorbestimmte Dauer und vorbestimmte Leistungsniveaus betrieben, bei denen kein Abbau des Patronenheizkörpers erwartet wird. Die Dauer ist so ausgewählt, dass sich der Patronenheizkörper 300 nicht überhitzt oder verursacht, dass Temperaturen innerhalb des Abscheiders 236 überhöht werden.
10 zeigt ein Flussdiagramm für einen möglichen Ablauf von Vorgängen, die in der Steuerung 312 implementiert werden können. Bei Vorgang 900 kann eine Überprüfung durchgeführt werden, um zu bestimmen, ob ein Heizkörperbetrieb benötigt wird. Ein Heizkörperbetrieb kann während eines Starts des Brennstoffzellensystems angefordert werden. Zum Beispiel kann der Heizkörperbetrieb als Reaktion auf eine Brennstoffzellen-Startanforderung eingeleitet werden. Die Brennstoffzellen-Startanforderung kann von einer Zündung bei Anforderung abgeleitet werden. Der Heizkörperbetrieb kann angefordert werden, nachdem das Fahrzeug für eine vorbestimmte Zeit ausgeschaltet war. Wenn kein Heizkörperbetrieb benötigt wird, dann kann Vorgang 900 periodisch wiederholt werden.
Falls der Heizkörperbetrieb benötigt wird, kann Vorgang 902 durchgeführt werden. Bei Vorgang 902 kann eine mit dem Fahrzeug verknüpfte Temperatur gemessen werden. Zum Beispiel kann ein Umgebungslufttemperatursensor abgefragt werden, um eine Temperatur der Umgebung zu bestimmen. In anderen Konfigurationen kann ein Temperatursensor des Brennstoffzellensystems 200 abgefragt werden.
Bei Vorgang 904 kann die Heizdauer berechnet werden. Zum Beispiel kann die Heizdauer von der gemessenen Temperatur abhängen. Die Heizdauer kann wie in 8 gezeigt auf Grundlage der Temperatur ausgewählt werden. Die Kurven können als eine Tabelle dargestellt und im Speicher der Steuerung 312 gespeichert werden. In einigen Konfigurationen kann die Heizdauer ein feststehendes Intervall sein. Bei Vorgang 906 kann der Heizkörper angeschaltet werden, indem eine Spannung oder ein Strom am Heizelement des Patronenheizkörpers 300 angelegt wird. Wenn er angeschaltet ist, erzeugt der heizbare Bereich 302 einen Kanal durch jegliches angesammelte Eis, so dass Wasser vom Abscheider 236 abgelassen werden kann. Bei Vorgang 908 kann eine Überprüfung durchgeführt werden, um zu bestimmen, ob die Dauer abgeschlossen ist. Wenn die Dauer nicht abgeschlossen ist, dann können die Vorgänge 906 und 908 periodisch wiederholt werden. Wenn die Dauer abgeschlossen ist, kann Vorgang 910 durchgeführt werden, um den Heizkörper abzuschalten. Nachdem der Heizzyklus abgeschlossen ist (z. B. als Reaktion auf einen Ablauf der Dauer), kann das Ablassventil 239 angeschaltet werden, um die Ausleitung einzuleiten. Nachdem der Heizzyklus abgeschlossen ist, kann die Ausführung zu Vorgang 900 zurückkehren, um den Zyklus, falls erforderlich, zu wiederholen.
Die hier offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können an eine Verarbeitungsvorrichtung, Steuerung oder einen Computer, der eine beliebige existierende programmierbare elektronische Steuereinheit oder dedizierte elektronische Steuereinheit umfassen kann, bereitstellbar oder von diesen implementierbar sein. Ebenso können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen, die von einer Steuerung oder einem Computer ausführbar sind, in vielen Formen gespeichert sein, darunter, ohne darauf beschränkt zu sein, Informationen, die dauerhaft auf nicht beschreibbaren Speichermedien wie etwa ROM-Vorrichtungen gespeichert sind, und Informationen, die in veränderbarer Weise auf beschreibbaren Medien wie etwa Disketten, Magnetbändern, CDs, RAM-Vorrichtungen und anderen magnetischen und optischen Medien gespeichert sind. Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können auch in einem durch Software ausführbaren Objekt implementiert sein. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen ganz oder in Teilen mittels geeigneter Hardwarekomponenten verkörpert sein, etwa anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (ASICs), feldprogrammierbarer Gate-Arrays (FPGAs), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder anderer Hardwarekomponenten oder Vorrichtungen oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmwarekomponenten.
Obwohl vorstehend Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen von den Ansprüchen eingeschlossenen Formen beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Begriffe sind beschreibende und nicht einschränkende Begriffe, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung kombiniert werden, die möglicherweise nicht ausdrücklich beschrieben oder dargestellt wurden. Obwohl verschiedene Ausführungsformen als im Hinblick auf eine oder mehrere gewünschte Eigenschaften Vorteile bereitstellend oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Stands der Technik bevorzugt hätten beschrieben werden können, werden Fachleute erkennen, dass in Bezug auf ein oder mehrere Merkmale oder Eigenschaften Kompromisse eingegangen werden können, um gewünschte Attribute des Systems insgesamt zu erzielen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängig sind. Zu diesen Attributen können gehören unter anderem Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Kosten über die Lebensdauer hinweg, Marktgängigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Wartbarkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Einfachheit der Montage usw. Ausführungsformen, die in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen des Stands der Technik beschrieben werden, liegen somit nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Fahrzeug, umfassend: ein Brennstoffzellensystem, das einen Sammelbehälter für Wasser beinhaltet; ein Ablassventil, das an einen durch den Sammelbehälter definierten Ablasskanal gekoppelt und dazu konfiguriert ist, Wasser von dem Sammelbehälter abzulassen, wenn es geöffnet ist; einen Patronenheizkörper, der innerhalb des Ablasskanals und nahe dem Ablassventil positioniert ist; und eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, als Reaktion auf eine Brennstoffzellen-Startanforderung den Patronenheizkörper für eine Dauer, die auf Grundlage einer Umgebungstemperatur variiert, anzuschalten.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Patronenheizkörper an einer Fläche des Sammelbehälters gegenüber dem Ablasskanal an den Sammelbehälter gekoppelt ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, das Ablassventil als Reaktion auf einen Ablauf der Dauer zu öffnen.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Patronenheizkörper so konfiguriert ist, dass eine Spitze des Patronenheizkörpers, die nahe dem Ablassventil liegt, beheizbar ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Patronenheizkörper ein Typ mit geteilter Ummantelung ist.
Brennstoffzellensystem, umfassend: einen Sammelbehälter, der zum Sammeln von Wasser konfiguriert ist; ein Ablassventil, das an einen durch den Sammelbehälter definierten Ablasskanal gekoppelt und dazu konfiguriert ist, Wasser von dem Sammelbehälter abzulassen, wenn es geöffnet ist; einen Patronenheizkörper, der innerhalb des Ablasskanals und nahe dem Ablassventil positioniert ist; und eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, als Reaktion auf eine Brennstoffzellen-Startanforderung den Patronenheizkörper für eine Dauer, die auf Grundlage einer Umgebungstemperatur variiert, anzuschalten.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei der Patronenheizkörper an einer Fläche des Sammelbehälters gegenüber dem Ablasskanal an den Sammelbehälter gekoppelt ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei der Patronenheizkörper einen nicht beheizbaren Bereich nahe der Fläche beinhaltet, der sich auf Grundlage einer erwarteten Eistiefe in dem Sammelbehälter während Gefrierbedingungen um einen Abstand von der Fläche erstreckt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei eine Spitze des Patronenheizkörpers und ein Stößel des Ablassventils um zumindest einen vorbestimmten Spalt getrennt sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, den Patronenheizkörper bei einem Leistungsniveau, das auf Grundlage der Umgebungstemperatur variiert, anzuschalten.
Wasserentfernungssystem für eine Brennstoffzelle, umfassend: einen Sammelbehälter zum Sammeln von Wasser von der Brennstoffzelle und Definieren eines Ablasskanals; ein Ablassventil, das an den Ablasskanal gekoppelt und dazu konfiguriert ist, Wasser von dem Sammelbehälter abzulassen, wenn es geöffnet ist; einen Patronenheizkörper, der an eine Fläche des Sammelbehälters gegenüber dem Ablasskanal gekoppelt ist und sich in den Ablasskanal und nahe dem Ablassventil erstreckt.
Wasserentfernungssystem nach Anspruch 11, ferner umfassend ferner eine Steuerung, die dazu programmiert ist, als Reaktion auf eine Brennstoffzellen-Startanforderung den Patronenheizkörper für eine Dauer, die auf Grundlage einer Umgebungstemperatur variiert, anzuschalten.
Wasserentfernungssystem nach Anspruch 11, wobei eine Spitze des Patronenheizkörpers, die nahe dem Ablassventil liegt, eine beheizbare Spitze ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9 und Wasserentfernungssystem nach Anspruch 11, wobei der Patronenheizkörper einen beheizbaren Bereich nahe dem Ablassventil beinhaltet, der sich auf Grundlage einer erwarteten Eistiefe in dem Sammelbehälter während Gefrierbedingungen um einen Abstand von dem Ablassventil erstreckt.
Fahrzeug nach Anspruch 4, Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9 und Wasserentfernungssystem nach Anspruch 11, wobei ein Durchmesser des Patronenheizkörpers derart ist, dass ein Bereich einer Kanalöffnung, definiert durch einen Querschnittsbereich des Ablasskanals und einen Querschnittsbereich des Patronenheizkörpers, innerhalb des Ablasskanals zumindest gleich einem Bereich ist, der durch eine kreisförmige Öffnung mit einem Zweimillimeterdurchmesser definiert ist.