DE102018110661A1

DE102018110661A1 - Konkaver ausstoßablauf für kraftstoffzellen

Info

Publication number: DE102018110661A1
Application number: DE102018110661.0A
Authority: DE
Inventors: Seha Son
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-05-08
Filing date: 2018-05-03
Publication date: 2018-11-08
Also published as: US10396371B2; CN108878927A; US20180323451A1

Abstract

Ein Fahrzeug schließt einen Hochspannungsbus und einen Elektromotor ein, der elektrisch mit dem Bus gekoppelt ist. Das Fahrzeug schließt ferner ein Brennstoffzellensystem ein, das elektrisch mit dem Bus gekoppelt ist. Das Brennstoffzellensystem schließt einen Brennstoffzellen-Stack und einen Behälter in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellen-Stack ein. Der Behälter weist eine konkave, im Allgemeinen kegelförmige untere Wand auf, die sich nach oben in einen Hohlraum des Behälters erstreckt und darin eine Spitze bildet. Der Behälter schließt ferner eine Ventilaufnahme ein, die sich von einer Seitenwand des Behälters in den Hohlraum des Behälters erstreckt. Die Ventilaufnahme definiert eine Ablauföffnung und eine Auslassöffnung mit einer unteren Kante, die nahe der Spitze der unteren Wand angeordnet ist. Das Brennstoffzellensystem beinhaltet ferner einen Ablaufschlauch in Fluidverbindung mit der Ablauföffnung und ein Steuerventil, das in der Ventilaufnahme angeordnet und geeignet ist, die Fluidverbindung zwischen der Auslassöffnung und der Ablauföffnung zu steuern.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft im Allgemeinen ein Wasserabführsystem für eine Brennstoffzelle.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Während des Betriebs von Brennstoffzellen können sich an der Anodenseite eines Brennstoffzellen-Stacks Nebenprodukte wie etwa Produktwasser und Stickstoff sowie unverbrauchter Wasserstoff bilden. In bestimmten bekannten Systemen werden die Ansammlung von Produktwasser und die Stickstoffansammlung unter dem Bemühen reguliert, einen Rückgang der Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellen und/oder eine Betriebseinstellung von Brennstoffzellensystemen zu verhüten. Ein bekannter Ansatz besteht im Ableiten von Wasser und Stickstoff über einen dem Brennstoffzellen-Stack nachgeordneten Durchlass. Bei der Verwendung eines solchen Ansatzes wird der Durchlass für das regulierbare Ableiten von Wasser und Stickstoff aus dem Brennstoffzellen-Stack mit einem Ventil verbunden. Dieser Ansatz ruft mögliche Probleme hervor, die während des Betriebs der Brennstoffzelle bei kaltem Wetter auftreten können, wenn Wasser im Durchlass oder Ventil oder in anderen Bereichen der Brennstoffzelle mit kleinen Querschnittsflächen gefrieren kann. Die resultierende Entstehung von Eis kann eine Blockade von zumindest einem Teil des Durchlasses verursachen und den Fluidstrom (z. B. die Abführung von Wasser und Stickstoff) verhindern, was die Funktionsfähigkeit des Brennstoffzellensystems hemmen kann.
Um die Blockierung des Ausstoßablaufs für Kraftstoffzellen unter kalten Umgebungsbedingungen zu verhindern, wurden verschiedene Verfahren mit zusätzlicher Hardware angewandt. Beispielsweise kann ein „Spülbehälter“ verwendet werden, um einen offenen Durchgang neben Eis bereitzustellen. In vielen Fällen kann das größere Volumen von Wasser aufgrund des Gefrierens jedoch eine komplette Blockierung am Behälterauslass verursachen, wodurch der Ablauf von Fluid verhindert wird.
Die Blockierung durch Eis kann außerdem den Ablauf des Fluids verhindern, wenn das Fahrzeug am Hang geparkt ist. In vielen Fällen ist ein Behälterauslass an einem Außenumfang des Behälters angeordnet. Wenn das Fahrzeug am Hang geparkt ist, kann es am Behälterauslass zu einer Blockierung durch Eis kommen, wodurch der Ablauf von Fluid verhindert wird.
KURZDARSTELLUNG
Ein Fahrzeug schließt einen Hochspannungsbus und einen Elektromotor, der elektrisch an den Bus gekoppelt ist, ein. Das Fahrzeug schließt ferner ein Brennstoffzellensystem ein, das elektrisch mit dem Bus gekoppelt ist. In manchen Ansätzen schließt das Brennstoffzellensystem eine Anodenseite, eine Kathodenseite und eine dazwischen angeordnete Membran ein.
Das Brennstoffzellensystem beinhaltet einen Brennstoff-Stack und einen Behälter, der mit dem Brennstoffzellen-Stack in Fluidverbindung steht. In manchen Ansätzen schließt der Behälter einen Einlass ein, der dazu geeignet ist, ein Fluidgemisch aus Wasserstoffgas, Stickstoffgas und Wasser aus einem Ausgang der Anodenseite des Brennstoffzellen-Stacks aufzunehmen.
Der Behälter weist eine konkave, im Allgemeinen kegelförmige untere Wand auf, die sich nach oben in einen Hohlraum des Behälters erstreckt und darin eine Spitze bildet. In manchen Ansätzen erstreckt sich mindestens ein Abschnitt der konkaven unteren Wand nach oben in den Hohlraum des Behälters in einem Winkel zwischen ungefähr 15 und 25 Grad im Verhältnis zu einer horizontalen Ebene, die sich zwischen unteren Kanten von Seitenwänden des Behälters erstreckt.
Der Behälter schließt ferner eine Ventilaufnahme ein, die sich von einer Seitenwand des Behälters in den Hohlraum des Behälters erstreckt. In manchen Ansätzen ragt mindestens ein Abschnitt der Ventilaufnahme durch die konkave, im Allgemeinen kegelförmige untere Wand.
Die Ventilaufnahme definiert eine Ablauföffnung und eine Auslassöffnung mit einer unteren Kante, die nahe der Spitze der unteren Wand angeordnet ist. Das Brennstoffzellensystem beinhaltet ferner einen Ablaufschlauch in Fluidverbindung mit der Ablauföffnung und ein Steuerventil, das in der Ventilaufnahme angeordnet und geeignet ist, die Fluidverbindung zwischen der Auslassöffnung und der Ablauföffnung zu steuern.
In manchen Ansätzen wird bei einer ersten Fahrzeugneigung in einer ersten Neigungsrichtung ein Wasserstand auf einer vorgegebenen Höhe nahe der Spitze der unteren Wand gehalten. Bei einer zweiten Fahrzeugneigung in einer zweiten Neigungsrichtung gegenüber der ersten Neigungsrichtung kann der Wasserstand auf der vorgegebenen Höhe nahe der Spitze der unteren Wand gehalten werden.
Ein Brennstoffzellensystem kann einen Brennstoffzellen-Stack und einen Behälter in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellen-Stack einschließen. Der Behälter kann eine konkave, im Allgemeinen kegelförmige untere Wand aufweisen, die eine Spitze in einem Hohlraum des Behälters bildet. Die konkave, im Allgemeinen kegelförmige untere Wand kann sich nach oben in den Hohlraum des Behälters in einem Winkel zwischen ungefähr 15 und 25 Grad im Verhältnis zu einer horizontalen Ebene erstrecken, die sich zwischen unteren Kanten von Seitenwänden des Behälters erstreckt.
Der Behälter kann ferner eine Ventilaufnahme einschließen, die sich in den Hohlraum des Behälters erstreckt. Die Ventilaufnahme kann eine rohrförmige Ventilaufnahme sein, die sich in den Hohlraum des Behälters erstreckt. Die Ventilaufnahme kann eine Ablauföffnung und eine Auslassöffnung mit einer unteren Kante definieren, die an der Spitze der unteren Wand angeordnet ist. Die Auslassöffnung kann sich im Wesentlichen in einer Ebene im Allgemeinen orthogonal zu einer Ebene erstrecken, die von der Ablauföffnung definiert ist.
In einem Ansatz ist die Auslassöffnung im Wesentlichen kreisförmig. In einem anderen Ansatz ist die Auslassöffnung im Wesentlichen dreieckig und kann derart ausgerichtet sein, dass eine erste Ecke und eine zweite Ecke der im Wesentlichen dreieckigen Auslassöffnung über einer dritten Ecke der im Wesentlichen dreieckigen Auslassöffnung angeordnet sind.
In manchen Ansätzen schließt die Ventilaufnahme eine Aufliegefläche ein, die im Hohlraum des Behälters zwischen Längswänden der rohrförmigen Ventilaufnahme angeordnet ist. Die Aufliegefläche kann die Auslassöffnung definieren.
Ein Steuerventil kann in der Ventilaufnahme angeordnet sein und kann dazu geeignet sein, die Fluidverbindung zwischen der Auslassöffnung und der Ablauföffnung zu steuern.
Ein Wasserabführsystem für eine Kraftstoffzelle kann einen Behälter in Fluidverbindung mit der Kraftstoffzelle einschließen. Der Behälter kann eine konkave, im Allgemeinen kegelförmige untere Wand aufweisen, die eine Spitze in einem Hohlraum des Behälters bildet. Die konkave, im Allgemeinen kegelförmige untere Wand kann sich nach oben in den Hohlraum des Behälters in einem Winkel zwischen ungefähr 15 und 25 Grad im Verhältnis zu einer horizontalen Ebene erstrecken, die sich zwischen unteren Kanten von Seitenwänden des Behälters erstreckt.
Der Behälter kann ferner eine Ventilaufnahme einschließen, die sich in den Hohlraum des Behälters erstreckt. Die Ventilaufnahme kann eine Ablauföffnung und eine Auslassöffnung mit einer unteren Kante definieren, die an der Spitze der unteren Wand angeordnet ist.
Das Wasserabführsystem kann ferner ein Steuerventil einschließen, das in der Ventilaufnahme angeordnet und dazu geeignet ist, die Fluidverbindung zwischen der Auslassöffnung und der Ablauföffnung zu steuern.
Bei einer ersten Fahrzeugneigung in einer ersten Neigungsrichtung kann ein Wasserstand auf einer vorgegebenen Höhe nahe der Spitze der unteren Wand gehalten werden. Bei einer zweiten Fahrzeugneigung in einer zweiten Neigungsrichtung gegenüber der ersten Neigungsrichtung kann der Wasserstand auf der vorgegebenen Höhe nahe der Spitze der unteren Wand gehalten werden.
Figurenliste

1 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Fahrzeugs, das von einem Brennstoffzellensystem angetrieben wird.
2 veranschaulicht ein Schema eines Brennstoffzellensystems.
3 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht einer Darstellung eines Separators für ein Brennstoffzellensystem.
4 veranschaulicht eine seitliche, erhobene Querschnittsansicht einer Darstellung des Separators für ein Brennstoffzellensystem.
5 veranschaulicht eine vordere, erhobene Querschnittsansicht einer Darstellung des Separators für ein Brennstoffzellensystem.
6 veranschaulicht eine Querschnittsdraufsicht einer Darstellung des Separators für ein Brennstoffzellensystem.
7 veranschaulicht eine seitliche, erhobene Querschnittsansicht einer Darstellung des alternativen Separators für ein Brennstoffzellensystem.
8 veranschaulicht eine seitliche, erhobene Querschnittsansicht einer Darstellung des Separators für ein Brennstoffzellensystem in einer ebenen Ausrichtung.
9 veranschaulicht eine seitliche, erhobene Querschnittsansicht einer Darstellung des Separators für ein Brennstoffzellensystem in einer ersten geneigten Ausrichtung.
10 veranschaulicht eine seitliche, erhobene Querschnittsansicht einer Darstellung des Separators für eine Brennstoffzellensystem in einer zweiten geneigten Ausrichtung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hier werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Dabei versteht es sich, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale sind eventuell vergrößert oder verkleinert dargestellt, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind hier offenbarte konkrete strukturelle und funktionelle Einzelheiten nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann die vielseitige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert sein können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben sind. Die Kombinationen aus veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
Nun unter Bezugnahme auf 1 kann ein Fahrzeug 10 von einem Brennstoffzellensystem 12 angetrieben werden. Das Brennstoffzellensystem 12 kann elektrisch an einen Hochspannungsbus 14 gekoppelt sein. Eine Traktionsbatterie 16 kann elektrisch an den Hochspannungsbus 14 gekoppelt sein. Elektrische Verbraucher 18 können elektrisch an den Hochspannungsbus 14 gekoppelt sein. Eine elektrische Maschine 20 kann elektrisch an den Hochspannungsbus 14 über einen Wechselrichter gekoppelt sein. Die elektrische Maschine 20 kann mechanisch an ein Getriebe 22 gekoppelt sein. Das Getriebe 22 kann mechanisch an die Antriebsräder 24 des Fahrzeugs 10 gekoppelt sein.
Das Brennstoffzellensystem 12 kann elektrischen Strom zum Betreiben der elektrischen Maschine 20 bereitstellen, um das Fahrzeug 10 anzutreiben oder andere Fahrzeugfunktionen auszuführen. Das Brennstoffzellensystem 12 kann elektrischen Strom erzeugen, der von den Komponenten verbraucht werden kann, die an den Hochspannungsbus 14 gekoppelt sind (z. B. elektrische Verbraucher 18). Der elektrische Strom, der vom Brennstoffzellensystem 12 erzeugt wird, kann außerdem von der Traktionsbatterie 16 gespeichert werden. Die elektrische Maschine 20 wandelt die elektrische Energie in mechanische Drehenergie zum Antreiben des Getriebes 22 um. Das Getriebe 22 kann Zahnräder und Kupplungen einschließen, die zum Umwandeln der Drehenergie der elektrischen Maschine 20 in Drehenergie an den Antriebsrädern 24 konfiguriert sind.
2 veranschaulicht eine mögliche Konfiguration des Brennstoffzellensystems 12 als ein Ablaufdiagramm. Das Brennstoffzellensystem 12 kann eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) sein, wie sie im Fach bekannt ist. Das Brennstoffzellensystem 12 kann einen Brennstoffzellen-Stack 40 beinhalten. Der Stack 40 kann eine Anodenseite 42, eine Kathodenseite 44 und eine Membran 46 dazwischen einschließen. Das Brennstoffzellensystem 12 kann elektrisch mit Energie kommunizieren und diese z. B. für den Hochspannungsbus 14 oder die Traktionsbatterie 16 bereitstellen. Der Brennstoffzellen-Stack 40 kann außerdem eine Kühlschleife (nicht dargestellt) einschließen.
Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 12 können sich Wasser, Restbrennstoff wie etwa Wasserstoff und Nebenprodukte wie etwa Stickstoff auf der Anodenseite 42 des Brennstoffzellen-Stacks 40 ansammeln. Das Brennstoffzellensystem 12 kann zum Abführen des flüssigen Wassers und der Nebenprodukte und zum Wiederverwenden des Restwasserstoffs und des Wasserdampfs konfiguriert sein. Ein Ansatz kann sein, diese Bestandteile in einem Behälter oder Separator 50 zu sammeln, der dem Brennstoffzellen-Stack 40 nachgelagert und zum Trennen mindestens eines Teils des flüssigen Wassers und/oder Stickstoffs und Rückführen der verbleibenden Bestandteile zum Brennstoffzellen-Stack 40 über einen Rücklauf in einer Rückführschleife konfiguriert ist.
Eine primäre Brennstoffquelle 52 kann mit der Anodenseite 42 des Brennstoffzellen-Stacks 40 verbunden sein, wie etwa eine primäre Wasserstoffquelle. Nicht einschränkende Beispiele für die primäre Wasserstoffquelle 52 können einen Hochdruck-Wasserstoffspeichertank oder eine Hybridspeichervorrichtung einschließen. Die Wasserstoffquelle 52 kann mit einer oder mehreren Ausstoßvorrichtungen 54 verbunden sein. Die Ausstoßvorrichtung 54 kann eine Düse 56 aufweisen, die Wasserstoff in den zusammenlaufenden Teilabschnitt einer konvergierenden/divergierenden Düse 58 leitet. Der auseinanderlaufende Teilabschnitt der Düse 58 kann mit dem Eingang 60 der Anodenseite 42 verbunden sein.
Der Ausgang 62 der Anodenseite 42 kann mit einer passiven Rückführschleife 64 verbunden sein. Typischerweise wird ein Überschuss an Wasserstoffgas für die Anodenseite 42 bereitgestellt, um zu gewährleisten, dass genug Wasserstoff für alle Zellen im Stack 40 verfügbar ist. Mit anderen Worten wird Wasserstoff für den Brennstoffzellen-Stack 40 in einem stöchiometrischen Verhältnis von über eins bereitgestellt, d. h. in einem fetten Brennstoffverhältnis in Bezug auf genaue elektrochemische Bedarfe. Die Rückführschleife 64 wird bereitgestellt, sodass überschüssiger Wasserstoff, der von der Anodenseite 42 nicht verwendet wurde, zum Eingang 60 zurückgeführt wird, sodass der Überschuss verwendet werden kann und nicht verschwendet wird.
Darüber hinaus ist angesammeltes Flüssig- und Dampfphasenwasser eine Ausgabe der Anodenseite 42. Die Anodenseite 42 erfordert Befeuchtung für eine effiziente chemische Umwandlung und zum Verlängern der Lebensdauer der Membran. Die Rückführschleife 64 kann verwendet werden, um Wasser zum Befeuchten des Wasserstoffgases vor dem Eingang 60 der Anodenseite 42 bereitzustellen.
Die Rückführschleife 64 kann den Separator 50 oder eine Wasserausstoßvorrichtung einschließen. Der Separator 50 nimmt einen Strom oder ein Fluidgemisch aus Wasserstoffgas, Stickstoffgas und Wasser vom Ausgang 62 der Anodenseite 42 auf. Das Wasser kann Gemischtphasenwasser sein und sowohl Flüssig- als auch Dampfphasenwasser enthalten. Der Separator 50 kann einen Behälter zum Aufbewahren eines vorgegebenen Volumens an Wasser einschließen. Der Separator 50 beseitigt mindestens einen Teil des Flüssigphasenwassers durch ein Steuerventil 68 (kann auch als ein Abflussventil bezeichnet werden). Das Flüssigphasenwasser kann dann den Separator durch die Ablaufleitung 66 verlassen. Mindestens ein Teil des Stickstoffgases, Wasserstoffgases und Dampfphasenwassers kann auch die Ablaufleitung 66 verlassen und z. B. während eines Spülvorgangs des Brennstoffzellen-Stacks 40 hindurchfließen. Das Steuerventil 68 kann stark in den Separator 50 eingebunden sein. In der Tat kann das Steuerventil 68, wie es sich versteht, im Separator 50 integriert sein. Der Rest des Fluids im Separator 50 tritt durch den Durchgang 70 in der Rückführschleife 64 aus, der mit der Ausstoßvorrichtung 54 verbunden ist. Das Fluid in Durchgang 70 wird in den zusammenlaufenden Teilabschnitt der konvergierenden/divergierenden Düse 58 geleitet, wo es sich mit eintretendem Wasserstoff aus der Düse 56 und der Wasserstoffquelle 52 mischt.
Flüssiges Wasser kann von der Anodenseite 42 durch den Separator 50 beseitigt werden, um Wasserblockierungen in den Kanälen und Zellen der Anodenseite 42 zu verhindern. Wasserblockierungen im Brennstoffzellen-Stack 40 können zu Zunahmen der Zellenspannung und/oder Spannungsschwankungen im Brennstoffzellen-Stack 40 führen. Flüssiges Wasser kann ebenso vom Separator 50 beseitigt werden, um eine Blockierung oder Teilblockierung in der Ausstoßvorrichtung 54 zu verhindern. Ein Flüssigwassertropfen im auseinanderlaufenden Teilabschnitt der konvergierenden/divergierenden Düse 58 würde quasi einen zweiten Venturi-Teilabschnitt in der Düse 58 schaffen und zu Schwankungen in der Pumpleistung für die Ausstoßvorrichtung 54 führen.
Die Kathodenseite 44 des Stacks 40 nimmt Sauerstoff, z. B. als ein Bestandteil in einer Luftquelle 72, auf. In einer Ausführungsform wird ein Kompressor 74 von einem Elektromotor 76 angetrieben, um den eintretenden Sauerstoff unter Druck zu setzen. Die Druckluft wird dann von einem Befeuchter 78 befeuchtet, bevor sie in die Kathodenseite 44 eintritt. Ein anderer Separator 80 (gestrichelt dargestellt) kann dem Befeuchter 78 nachgelagert positioniert sein. Der Separator 80 kann zum Beseitigen flüssigen Wassers aus dem befeuchteten Luftstrom verwendet werden, bevor es in die Kathodenseite 44 des Stacks 40 bei Eingang 82 eintritt. Wassertropfen können dem Befeuchter 78 nachgelagert aufgrund von flüssigem Wasser vorkommen, das durch hohe Luftströmungsgeschwindigkeiten im Befeuchter 78 mitgeführt wird. Flüssiges Wasser kann vom Separator 80 beseitigt werden, um Wasserblockierungen in den Zellen der Kathodenseite 44 zu verhindern, die zu Abnahmen in der Zellenspannung und/oder Schwankungen im Brennstoffzellen-Stack 40 führen. Der Kathodenausgang 84 des Stacks auf der Kathodenseite 44 ist mit einem Ventil 86 verbunden. Die Ablaufleitung 66 vom Separator 50 und eine Ablaufleitung 88 vom Separator 80 können mit einer Leitung 90 verbunden sein, die dem Ventil 86 nachgelagert ist. In anderen Ansätzen können die Ablaufleitungen auf andere Stellen im Brennstoffzellensystem 12 ausgerichtet sein.
Andere Systemarchitekturen können ebenso für das Brennstoffzellensystem 12 verwendet werden. Beispielsweise kann eine Turbine zusätzlich zum Kompressor 74 verwendet werden, um eine Strömung durch die Kathodenseite 44 herbeizuführen. In einem Beispiel ist eine Turbine dem Kathodenausgang 84 des Stacks nachgelagert positioniert, wobei ein Separator zwischen der Kathodenseite 44 und der Turbine angeordnet ist, um flüssiges Wasser zu beseitigen, bevor der Fluidstrom in die Turbine eintritt.
Auf Grundlage der Verwendung der Ausstoßvorrichtung 54 zur Erzeugung einer Strömung durch die Anodenseite 42 und Herbeiführung einer Strömung durch die passive Rückführschleife 64 muss die Ausstoßvorrichtung 54 etwaige Druckverluste im System überwinden, was einen typischerweise erheblichen Druckverlust durch den Brennstoffzellen-Stack 40 einschließt. Das System 12, so wie es dargestellt ist, schließt keine Pumpe oder andere Vorrichtungen zum Herbeiführen einer Strömung in der Rückführschleife 64 ein, weshalb die gesamte Verdichtungsarbeit von der Ausstoßvorrichtung geleistet wird, die ansonsten als eine Strahlpumpe beschrieben wird. Um diese Funktion zu ermöglichen, kann der Separator 50 einen niedrigen Druckverlust durch sich aufweisen. Der Separator 50 kann zum Beseitigen größerer Wassertropfen aus dem Fluid konfiguriert sein, um Wasserblockierungen in der Rückführströmung im Brennstoffzellen-Stack 40 oder in der Ausstoßvorrichtung 54 zu verhindern, die durch Tropfen verursacht werden. Der Separator 50 ermöglicht dem Dampfphasenwasser und kleineren Wassertropfen, in der Rückführströmung in Durchgang 70 zu verbleiben und zu Befeuchtungszwecken zur Ausstoßvorrichtung 54 zurückzukehren. In einem Beispiel beseitigt der Separator 50 Wassertropfen mit einem Durchmesser in der Größenordnung von einem Millimeter oder größer.
Da der Separator 50 Fluidstrom von der Anodenseite 42 aufnimmt, kann der Separator 50 darüber hinaus für die Verwendung mit Wasserstoffgas ausgelegt sein. Im Allgemeinen kann Wasserstoffgas Materialzersetzung oder Versprödungsprobleme verursachen und kann Material, das im Separator 50 verwendet wird, mit Wasserstoff kompatibel sein. Darüber hinaus ist Wasserstoff ein kleines Molekül und sind viele herkömmliche Separatorvorrichtungen nicht für die Verwendung mit Wasserstoff geeignet, da ihre Konstruktion Leckagen ermöglicht, z. B. bei einer herkömmlichen Gewindeverbindung. Andere herkömmliche Separatoren können drehende oder bewegliche Teile, wie etwa eine drehende Schaufel oder dergleichen enthalten, die unter Umständen nicht mit Wasserstoff kompatibel sind, da das Schmiermittel den Brennstoffzellen-Stack vergiften kann oder der Wasserstoff das Schmiermittel beeinträchtigen oder zersetzen kann.
Der Separator 80 muss außerdem größere Wassertropfen aus dem Fluid beseitigen, um Wasserblockierungen durch Tropfen in der Strömung auf der Kathodenseite 44 des Brennstoffzellen-Stacks 40 zu verhindern. Der Separator 80 erlaubt Dampfphasenwasser und kleineren Wassertropfen zur Befeuchtung in der Strömung zu verbleiben. In einem Ansatz beseitigt der Separator 80 Wassertropfen, die gleichgroß oder größer als die Strömungsfeldkanalbreiten der Kathodenseite 44 sind. In einem Beispiel können die Strömungsfeldkanäle der Kathodenseite zwischen 0,2 und 1,0 Millimeter betragen.
Die 3-6 zeigen eine mögliche Konfiguration für den Separator 50 und ein Abflussventil 68. Die zu beschreibenden Merkmale beziehen sich auf den Separator 50, der die Funktion des Sammelns und Entfernens flüssigen Wassers aus dem Brennstoffzellensystem 12 ausführt.
Der Separator 50 schließt eine untere Wand 100, eine Deckwand 102 und eine Seitenwand bzw. Seitenwände 104 ein, die sich zwischen der unteren Wand 100 und der Deckwand 102 erstreckt bzw. erstrecken. Die untere Wand 100, die Deckwand 102 und die Seitenwänden 104 bilden einen inneren Hohlraum 106 dazwischen.
In einem Ansatz ist die Deckwand 102 eine im Allgemeinen ebene Deckwand. Die Seitenwände 104 können einen im Allgemeinen zylindrischen oder rohrförmigen Körper formen. Der zylindrische Körper kann einen Außendurchmesser zwischen ungefähr 75 mm und 100 mm aufweisen und kann z. B. ungefähr 81 mm sein. Andere geeignete Konfigurationen und Abmessungen sind vorgesehen.
Die untere Wand 100 und die Seitenwände 104 können einen Behälter bilden, sodass sich, wenn der Separator 50 vertikal ausgerichtet ist, flüssiges Wasser über den geneigten Wänden der unteren Wand 100 ansammelt.
In einem Ansatz ist die untere Wand 100 eine im Allgemeinen konkave, im Allgemeinen kegelförmige untere Wand. Auf diese Weise kann sich die untere Wand 100 in den Hohlraum 106 erstrecken. In anderen Ansätzen ist die untere Wand 100 eine im Allgemeinen konkave, nicht-kegelförmige untere Wand, die sich in den Hohlraum 106 erstreckt.
Die konkave untere Wand 100 kann eine Spitze 110, z. B. in einem mittigen Bereich des Separators 50 bilden. Die untere Wand 100 erstreckt sich in Richtung der Spitze 110 in einem Winkel im Verhältnis zu einer horizontalen Ebene. Beispielsweise kann die untere Wand 100 einen Winkel zwischen ungefähr 10 und 45 Grad und insbesondere zwischen ungefähr 15 und 25 Grad im Verhältnis zu einer horizontalen Ebene bilden, die sich zwischen unteren Kanten der Seitenwände 104 erstreckt. In einem Ansatz bildet die untere Wand 100 einen Winkel von ungefähr 19,5 Grad. Andere geeignete Neigungswinkel sind hier vorgesehen.
Der Separator 50 schließt eine Ventilaufnahme 120 ein, die im Separator 50 gebildet ist. Die Ventilaufnahme 120 definiert eine Aufnahmeöffnung 122, die durch die Seitenwand 104 des Separators 50 angeordnet ist. Die Aufnahmeöffnung 122 ist bevorzugt derart bemessen, dass sie ein Abflussventil 68 aufnimmt.
Die Seitenwände 124 der Ventilaufnahme 120 erstrecken sich von der Aufnahmeöffnung 122 in den inneren Hohlraum 106 des Separators 50. Die Seitenwände 124 können einen im Allgemeinen zylindrischen oder rohrförmigen Körper bilden, der sich längs in den inneren Hohlraum 106 des Separators 50 erstreckt. Der zylindrische Körper kann einen Außendurchmesser zwischen ungefähr 20 mm und 45 mm aufweisen und kann z. B. ungefähr 35 mm sein. Andere geeignete Konfigurationen und Abmessungen sind vorgesehen.
Ein herausragender Abschnitt 126 der Seitenwand 124 erstreckt sich durch die kegelförmige untere Wand 100 in einen Bereich unter der unteren Wand 100. Am herausragenden Abschnitt 126 definiert die Seitenwand 124 einen Fluidauslass, der ebenfalls als eine Auslassöffnung oder ein Auslassdurchlass 130 bezeichnet wird. Die Ablauföffnung 130 bildet mit der Ablaufleitung 66 eine Schnittstelle, um einen Fluidstrom vom inneren Hohlraum 106 aus dem Separator 50 zu ermöglichen, wenn das Abflussventil 68 bestromt wird.
In einem anderen Ansatz, vorübergehend unter Bezugnahme auf 7, ist die Ventilaufnahme 120 durch die untere Wand 100 angeordnet. Ein solcher Ansatz kann die Verwendung eines Kolbens vom Typ „Wippe“ ermöglichen. In diesem Anspruch kann ein Abflussventil 68 in die Ventilaufnahme 120 von der Unterseite des Separators 50 eingeführt werden.
Die Seitenwände 124 der Ventilaufnahme 120 erstrecken sich von der Aufnahmeöffnung 122 zu einer Aufliegefläche 132. Die Aufliegefläche 132 kann eine vertikal ausgerichtete Aufliegefläche sein. Ein Abschnitt der Aufliegefläche 132, der neben dem herausragenden Abschnitt 126 der Seitenwand 124 liegt, erstreckt sich durch die kegelförmige untere Wand 100 in einen Bereich unter der unteren Wand 100.
Die Aufliegefläche 132 definiert einen Auslassdurchlass, der auch als eine Auslassöffnung 134 bezeichnet wird. Die Auslassöffnung 134 kann eine vertikal ausgerichtete Auslassöffnung sein, die durch die Aufliegefläche 132 angeordnet ist. Die Auslassöffnung 134 kann sich im Wesentlichen in einer Ebene im Allgemeinen orthogonal zu einer Ebene erstrecken, die von der Ablauföffnung 130 definiert ist.
In einem Ansatz ist die Auslassöffnung 134 kreisförmig. Die kreisförmige Auslassöffnung kann einen Durchmesser zwischen ungefähr 3 mm und 6 mm aufweisen und kann z. B. ungefähr 5 mm sein.
In einem anderen Ansatz ist die Auslassöffnung 134 dreieckig. Die dreieckige Auslassöffnung kann in einer „umgedrehten“ Richtung ausgerichtet sein, sodass eine Ecke unter den beiden anderen Ecken ausgerichtet ist. Es wurde beobachtet, dass eine solche dreieckige Auslassöffnung mit der gleichen Fläche wie eine kreisförmige Öffnung bereitgestellt werden kann, während eine größere Fläche im oberen Bereich der Ventilaufnahme 120 bereitgestellt wird. Beispielsweise kann die Höhe einer dreieckigen Auslassöffnung etwa 17 % größer als die Höhe einer kreisförmigen Auslassöffnung ein. In noch einem anderen Anspruch ist die Auslassöffnung 134 oval. Andere Auslassöffnungsgeometrien und Abmessungen sind vorgesehen.
In einem Ansatz ist ein unterster Abschnitt der Auslassöffnung 134 nahe der Spitze 110 der unteren Wand 100 angeordnet. Beispielsweise kann der unterste Abschnitt der Auslassöffnung 134 an der Spitze 110 der unteren Wand 100 angeordnet sein. In anderen Ansätzen ist der unterste Abschnitt der Auslassöffnung 134 über oder unter der Spitze 110 der unteren Wand 100 angeordnet.
Die Ventilaufnahme 120 kann einstückig mit dem Separator 50 ausgebildet sein, sodass die Ventilaufnahme und der Separator eine einteilige Einheit bilden. Beispielsweise kann die einstückig ausgebildete Separator-Behälter-Einheit durch ein additives Herstellungsverfahren, wie etwa durch einen dreidimensionalen Druckvorgang, gebildet werden. Die einstückig ausgebildet Separator-Behälter-Einheit kann aus einem metallischen Material wie etwa Edelstahl oder Aluminium gebildet werden. Andere geeignete Materialien sind vorgesehen. In noch anderen Ansätzen sind der Separator 50 und die Ventilaufnahme 120 getrennt ausgebildet und können zusammengesetzt werden, um eine Separator-Behälter-Einheit zu bilden.
Wie in 3 dargestellt, kann das Abflussventil 68 in die Ventilaufnahme 120 des Separators 50 aufgenommen werden. Das Abflussventil 68 kann z. B. ein Magnetventil sein, das einen bewegbaren Kolben oder Kolben einschließt, der dazu konfiguriert ist, sich zu bewegen, wenn der Magnet erregt oder aktiviert wird. Andere geeignete Abflussventile sind hier vorgesehen.
Das Abflussventil 68 kann ein normalerweise geschlossenes Ventil sein. Im geschlossenen Zustand kann der Kolben jegliche Durchgänge zwischen der Auslassöffnung 134 und der Ablauföffnung 130 der Ventilaufnahme 120 abdichten. Im geöffneten Zustand ist der Kolben derart positioniert, dass Fluidstrom zwischen der Auslassöffnung 134 und der Ablauföffnung 130 ermöglicht wird. Zusätzliche Leitungen können verwendet werden, um Wasser, das aus dem Separator 50 austritt, für die Rückführung oder Beseitigung zu transportieren.
Während des Betriebs von Kraftstoffzellen kann sich Wasser im Separator 50 ansammeln. Das Brennstoffzellensystem 12 kann einen Wasserstand im Separator 50 auf einen vorgegebenen Stand steuern. Während des Betriebs von Kraftstoffzellen kann es einen bevorzugten Wasserstand zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 12 geben. Ferner kann das Brennstoffzellensystem 12 dazu ausgelegt sein, während des Abschaltens Wasser vom Separator 50 abzuführen, um sich für den nächsten Betriebszyklus vorzubereiten. Das Abführen von Wasser kann außerdem die Frostgefahr bei kaltem Wetter verringern. Während des Betriebs von Kraftstoffzellen kann das Abflussventil 68 periodisch betätigt werden, um dem Wasser zu ermöglichen, aus dem Separator 50 abzufließen, um den bevorzugten Wasserstand zu halten. Beispielsweise wenn das Abflussventil 68 bestromt wird, kann der Kolben in die offene Position bewegt werden. Wenn sich der Kolben in der offenen Position befindet, ist die Auslassöffnung 134 fluidisch mit der Ablauföffnung 130 verbunden. Daher kann angesammeltes Wasser im Separator 50 durch die Auslassöffnung 134 zur Ablauföffnung 130 strömen. Auf diese Weise kann der Wasserstand im Separator 50 verringert werden.
Wasser, das sich im Separator 50 ansammelt, stellt bei gefrierenden Witterungsbedingungen ein Problem dar. Nach einiger Zeit bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt kann Wasser im Brennstoffzellensystem 12 gefrieren und Eis bilden. In vorangegangenen Ansätzen kann gefrorenes Wasser im Separator die Auslassöffnung blockieren und Wasser daran hindern, aus dem Separator auszutreten. Eis im Separator kann dazu führen, dass der Wasserstand zu hoch wird und schließlich einen optimalen Betrieb des Brennstoffzellensystem 12 behindert.
8 zeigt den Separator 50, wenn sich das Fahrzeug 10 auf einer ebenen Fläche befindet. In der ebenen Ausrichtung kann der Wasserstand 150 auf einer vorgegebenen Höhe, wie etwa ungefähr auf oder unter der Höhe der Spitze 110, unter Bedingungen über dem Gefrierpunkt gehalten werden. Unter Frostbedingungen kann das Wasser gefrieren, wodurch sich das Volumen des Wassers erhöht, sodass der obere Eispegel 152 höher als die Höhe der Spitze 110 liegt. Es wird beobachtet, dass selbst unter Frostbedingungen der obere Eispegel 152 unter der oberen Kante der Auslassöffnung 134 liegt. Auf diese Weise kann, wenn sich das Fahrzeug 10 unter Frostbedingungen in einer ebenen Position befindet, weiterhin Wasser aus dem Separator 50 durch Betätigen des Kolbens des Abflussventils 68 abgeführt werden.
9 zeigt den Separator 50, wenn sich das Fahrzeug 10 auf einer geneigten Fläche befindet, in eine erste Richtung geneigt (z. B. zeigt die Vorderseite des Fahrzeugs 10 in eine nach unten gerichtete Neigung). In dieser ersten geneigten Position kann der Wasserstand 150 auf einer vorgegebenen Höhe gehalten werden, wie etwa ungefähr auf oder unter der Höhe der Spitze 110, unter Bedingungen über dem Gefrierpunkt. Unter Frostbedingungen kann das Wasser gefrieren, wodurch sich das Volumen des Wassers erhöht, sodass der obere Eispegel 152 höher als die Höhe der Spitze 110 liegt. Es wird beobachtet, dass selbst unter Frostbedingungen der obere Eispegel 152 unter der oberen Kante der Auslassöffnung 134 in der ersten geneigten Position liegt. Auf diese Weise kann, selbst wenn sich das Fahrzeug 10 unter Frostbedingungen in der ersten geneigten Position befindet, weiterhin Wasser aus dem Separator 50 durch Betätigen des Kolbens des Abflussventils 68 abgeführt werden.
10 zeigt den Separator 50, wenn sich das Fahrzeug 10 auf einer geneigten Fläche befindet, in eine zweite Richtung gegenüber der ersten Richtung geneigt (z. B. zeigt die Vorderseite des Fahrzeugs 10 in eine nach oben gerichtete Neigung). In dieser zweiten geneigten Position kann der Wasserstand 150 auf einer vorgegebenen Höhe gehalten werden, wie etwa ungefähr auf oder unter der Höhe der Spitze 110, unter Bedingungen über dem Gefrierpunkt. Unter Frostbedingungen kann das Wasser gefrieren, wodurch sich das Volumen des Wassers erhöht, sodass der obere Eispegel 152 höher als die Höhe der Spitze 110 liegt. Es wird beobachtet, dass selbst unter Frostbedingungen der obere Eispegel 152 unter der oberen Kante der Auslassöffnung 134 in der zweiten geneigten Position liegt. Auf diese Weise kann, selbst wenn sich das Fahrzeug 10 unter Frostbedingungen in der zweiten geneigten Position befindet, weiterhin Wasser aus dem Separator 50 durch Betätigen des Kolbens des Abflussventils 68 abgeführt werden.
Obwohl vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, welche die Patentansprüche umschließen. Bei den in der Beschreibung verwendeten Ausdrücken handelt es sich um beschreibende und nicht um einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Wie vorstehend beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die unter Umständen nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind. Wenngleich verschiedene Ausführungsformen gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer gewünschter Eigenschaften als vorteilhaft oder bevorzugt beschrieben sein können, erkennt ein Durchschnittsfachmann, dass ein oder mehrere Merkmale oder eine oder mehrere Eigenschaften beeinträchtigt werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erreichen, die von der konkreten Anwendung und Umsetzung abhängig sind. Diese Attribute können unter anderem folgende beinhalten: Kosten, Festigkeit, Lebensdauer, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Betriebsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Einfachheit der Montage usw. Von daher liegen Ausführungsformen, welche in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik beschrieben werden, nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Fahrzeug, umfassend: einen Hochspannungsbus; einen Elektromotor, welcher elektrisch an den Hochspannungsbus gekoppelt ist; und ein Brennstoffzellensystem, welches elektrisch an den Hochspannungsbus gekoppelt ist, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellen-Stack, einen Behälter in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellen-Stack, wobei der Behälter eine im Allgemeinen konkave untere Wand aufweist, welche sich nach oben in einen Hohlraum des Behälters erstreckt und eine Spitze darin bildet, wobei der Behälter ferner eine Ventilaufnahme einschließt, welche sich von einer Seitenwand des Behälters in den Hohlraum des Behälters erstreckt, wobei die Ventilaufnahme eine Ablauföffnung und eine Auslassöffnung mit einer unteren Kante definiert, welche nahe der Spitze der unteren Wand angeordnet ist, einen Ablaufschlauch in Fluidverbindung mit der Ablauföffnung und ein Magnetventil, welches in der Ventilaufnahme angeordnet und geeignet ist, die Fluidverbindung zwischen der Auslassöffnung und der Ablauföffnung zu steuern, einschließt.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffzellensystem eine Anodenseite, eine Kathodenseite und eine dazwischen angeordnete Membran umfasst.
Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei der Behälter einen Einlass einschließt, der dazu geeignet ist, ein Fluidgemisch aus Wasserstoffgas, Stickstoffgas und Wasser aus einem Ausgang der Anodenseite des Brennstoffzellen-Stacks aufzunehmen.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei sich mindestens ein Abschnitt der konkaven unteren Wand nach oben in den Hohlraum des Behälters in einem Winkel zwischen ungefähr 15 und 25 Grad im Verhältnis zu einer horizontalen Ebene erstreckt, welche sich zwischen unteren Kanten von Seitenwänden des Behälters erstreckt.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Abschnitt der Ventilaufnahme durch die konkave, im Allgemeinen kegelförmige untere Wand ragt.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei bei einer ersten Fahrzeugneigung in einer ersten Neigungsrichtung ein Wasserstand auf einer vorgegebenen Höhe nahe der Spitze der unteren Wand gehalten wird.
Fahrzeug nach Anspruch 6, wobei bei einer zweiten Fahrzeugneigung in einer zweiten Neigungsrichtung gegenüber der ersten Neigungsrichtung der Wasserstand auf einer vorgegebenen Höhe nahe der Spitze der unteren Wand gehalten wird.
Brennstoffzellensystem, umfassend: einen Brennstoffzellen-Stack; und einen Behälter in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellen-Stack, wobei der Behälter mit einer konkaven, im Allgemeinen kegelförmigen unteren Wand eine Spitze in einem Hohlraum des Behälters bildet, der Behälter ferner eine Ventilaufnahme einschließt, welche sich in den Hohlraum des Behälters erstreckt, die Ventilaufnahme eine Ablauföffnung und eine Auslassöffnung mit einer unteren Kante definiert, welche an der Spitze der unteren Wand angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, wobei die Ventilaufnahme eine rohrförmige Ventilaufnahme ist, welche sich in den Hohlraum des Behälters erstreckt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, wobei die Ventilaufnahme eine Aufliegefläche einschließt, welche im Hohlraum des Behälters zwischen Längswänden der rohrförmigen Ventilaufnahme angeordnet ist, und wobei die Aufliegefläche die Auslassöffnung definiert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, wobei sich die konkave, im Allgemeinen kegelförmige untere Wand nach oben in den Hohlraum des Behälters in einem Winkel zwischen ungefähr 15 und 25 Grad im Verhältnis zu einer horizontalen Ebene erstreckt, die sich zwischen unteren Kanten von Seitenwänden des Behälters erstreckt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, ferner umfassend ein Steuerventil, welches in der Ventilaufnahme angeordnet und dazu geeignet ist, die Fluidverbindung zwischen der Auslassöffnung und der Ablauföffnung zu steuern.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, wobei sich die Auslassöffnung im Wesentlichen in einer Ebene im Allgemeinen orthogonal zu einer Ebene erstreckt, welche von der Ablauföffnung definiert ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, wobei die Auslassöffnung im Wesentlichen kreisförmig ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, wobei die Auslassöffnung im Wesentlichen dreieckig ist und derart ausgerichtet ist, dass eine erste Ecke und eine zweite Ecke der im Wesentlichen dreieckigen Auslassöffnung über einer dritten Ecke der im Wesentlichen dreieckigen Auslassöffnung angeordnet sind.