DE102020113104A1 - Water separator for a fuel cell device and fuel cell device with such - Google Patents

Water separator for a fuel cell device and fuel cell device with such Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wasserabscheider (8) mit einem Abscheidergehäuse (10), in dem eine Einlassöffnung (11) und eine Auslassöffnung (12) ausgebildet sind, mit einer unterhalb der Einlassöffnung (11) und unterhalb der Auslassöffnung (12) angeordneten, eine Durchgangsöffnung (13) belassenden oder bereitstellenden Trennwand (14), und mit einem in Fallrichtung unterhalb der Durchgangsöffnung (13) vorhandenen Auffangbecken (17), dem ein Wasserauslass (15) mit einem Ablassventil (9) zugeordnet ist. Ein in Fallrichtung unterhalb der Durchgangsöffnung (13) angeordneter, durch eine Beckenwand (22) räumlich vom Auffangbecken (17) getrennter Fluidauslass (21) ist vorhanden, dem ein Purgeventil (24) zugeordnet ist. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem solchen.The invention relates to a water separator (8) with a separator housing (10) in which an inlet opening (11) and an outlet opening (12) are formed, with a through opening arranged below the inlet opening (11) and below the outlet opening (12) (13) leaving or providing partition (14), and with a collecting basin (17) which is present in the direction of fall below the through opening (13) and to which a water outlet (15) with a drain valve (9) is assigned. A fluid outlet (21) is provided, which is arranged below the through opening (13) and is spatially separated from the collecting basin (17) by a basin wall (22) and to which a purge valve (24) is assigned. The invention also relates to a fuel cell device (1) having such a device.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wasserabscheider mit einem Abscheidergehäuse, in dem eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung ausgebildet sind, mit einer unterhalb der Einlassöffnung und unterhalb der Auslassöffnung angeordneten, eine Durchgangsöffnung belassenden oder bereitstellenden Trennwand, und mit einem in Fallrichtung unterhalb der Durchgangsöffnung vorhandenen Auffangbecken, dem ein Wasserauslass mit einem Ablassventil zugeordnet ist. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem solchen Wasserabscheider.The invention relates to a water separator with a separator housing in which an inlet opening and an outlet opening are formed, with a partition wall arranged below the inlet opening and below the outlet opening, leaving or providing a passage opening, and with a collecting basin, which is a collecting basin below the passage opening in the direction of fall Water outlet is assigned to a drain valve. The invention also relates to a fuel cell device with such a water separator.

Brennstoffzellen dienen zur Erzeugung elektrischer Energie in einer elektrochemischen Reaktion durch die Umsetzung zweier Reaktanten, in der Regel Wasserstoff und Sauerstoff, wobei ausgehend von diesen Edukten Produktwasser generiert wird. Für das Abführen des überschüssigen Wassers aus der Brennstoffzelle wird häufig in der anodenseitigen Abgasleitung ein Wasserabscheider eingesetzt, der über ein Ablassventil verfügt, das bedarfsweise angesteuert und geöffnet werden kann. Ein häufiger und gewünschter Anwendungsfall von Brennstoffzellen ist in Kraftfahrzeugen zugeordneten Brennstoffzellenvorrichtungen als eine Form der Elektromobilität. Die Verwendung von Brennstoffzellenvorrichtungen in Kraftfahrzeugen bedingt, dass diese Brennstoffzellenvorrichtungen wechselnden Umweltbedingungen ausgesetzt sind und insbesondere auch Frostbedingungen bei einem Neustart vorliegen können. Dies bedeutet, dass in dem Wasserabscheider vorliegendes Flüssigwasser gefrieren und das Ablassventil blockieren kann. Daher ist es notwendig, vor dem Abstellen des Kraftfahrzeuges den Wasserabscheider zu entleeren. Allerdings kann während der Zeit des Abstellens kondensierender Wasserdampf wieder als Flüssigwasser anfallen, in den Wasserabscheider nachfließen und sich dort vor dem Ablassventil ansammeln.Fuel cells are used to generate electrical energy in an electrochemical reaction by converting two reactants, usually hydrogen and oxygen, with product water being generated from these educts. To remove the excess water from the fuel cell, a water separator is often used in the anode-side exhaust line, which has a drain valve that can be activated and opened as required. A frequent and desired application of fuel cells is in fuel cell devices assigned to motor vehicles as a form of electromobility. The use of fuel cell devices in motor vehicles means that these fuel cell devices are exposed to changing environmental conditions and, in particular, freezing conditions can also exist when restarting. This means that liquid water in the water separator can freeze and block the drain valve. It is therefore necessary to empty the water separator before parking the vehicle. However, during the shutdown period, condensing water vapor can occur again as liquid water, flow into the water separator and collect there in front of the drain valve.

In der WO 2008 / 090 430 A1 werden verschiedene Konzepte eines Wasserabscheiders vorgestellt, wobei die Ausgestaltung nach 5 den Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 wiederspiegelt. Hierbei wird die Flüssigkeit getrennt von einer Trennwand in einem Reservoir gesammelt, dem in Fallrichtung ein Wasserauslass mit einem Ablassventil zugeordnet ist. Darüber hinaus werden einige Wasserabscheider mit einem Steigrohr, welches in das Auffangbecken ragt, vorgestellt.In WO 2008/090 430 A1, various concepts of a water separator are presented, the configuration according to 5 the preamble of independent claim 1 reflects. In this case, the liquid is collected separately by a partition in a reservoir, to which a water outlet with a drain valve is assigned in the direction of fall. In addition, some water separators with a riser pipe that protrudes into the collecting basin are presented.

Der Einsatz eines Steigrohrs bei einem Wasserabscheider hat sich sehr bewährt, wobei unterschiedliche Ausgestaltungen des Wasserabscheiders und des ihm zugeordneten Steigrohr beispielsweise in der DE 10 2017 215 495 A1 vorgestellt werden.The use of a riser pipe in a water separator has proven to be very useful, with different configurations of the water separator and the riser pipe assigned to it, for example in FIG DE 10 2017 215 495 A1 to be introduced.

Auch in der US 2009 / 0 162 730 A1 werden Wasserabscheiderkonzepte vorgestellt, die mit einem Heizelement ausgestattet sind, und in die ein lonentauscher eingelegt ist.US 2009/0162 730 A1 also presents water separator concepts that are equipped with a heating element and into which an ion exchanger is inserted.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wasserabscheider so weiter zu entwickeln, dass das Problem des Einfrierens des Ablassventils gemildert oder sogar beseitigt ist. Aufgabe ist weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung bereit zu stellen.The object of the present invention is to further develop a water separator in such a way that the problem of the drain valve freezing up is alleviated or even eliminated. Another object is to provide an improved fuel cell device.

Diese Aufgabe wird durch einen Wasserabscheider mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a water separator with the features of claim 1 and by a fuel cell device with the features of claim 10. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Der erfindungsgemäße Wasserabscheider zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein in Fallrichtung unterhalb der Durchgangsöffnung angeordneter, durch eine Beckenwand räumlich vom Auffangbecken getrennter Fluidauslass vorhanden ist, dem ein Purgeventil zugeordnet ist. Dieser Wasserabscheider ist also auch einsetzbar in denjenigen Fällen, in denen der Wasserauslass von Eis blockiert wird, so dass über den Beckenrand tretende Flüssigkeit nicht wieder in den Anodenkreislauf gelangen kann, sondern über das Purgeventil und den Fluidauslass aus dem Wasserabscheider abgelassen werden kann.The water separator according to the invention is characterized in particular by the fact that there is a fluid outlet which is arranged in the direction of fall below the through opening and is spatially separated from the collecting basin by a basin wall and to which a purge valve is assigned. This water separator can also be used in those cases in which the water outlet is blocked by ice, so that liquid overflowing the pool edge cannot get back into the anode circuit, but can be drained from the water separator via the purge valve and the fluid outlet.

Um zu gewährleisten, dass die Flüssigkeit unmittelbar beim Überwinden der Beckenwand aus dem Wasserabscheider über den Fluidauslass bei geöffnetem Purgeventil ausgelassen werden kann, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Fluidauslass am Abscheidergehäuse in Fallrichtung unterhalb eines Niveaus eines durch die Beckenwand gebildeten Beckenrands des Auffangbeckens angeordnet oder ausgebildet ist.In order to ensure that the liquid can be discharged from the water separator via the fluid outlet with the purge valve open as soon as the pool wall is overcome, it has proven to be advantageous if the fluid outlet on the separator housing in the direction of fall is below a level of a pool edge of the collecting basin formed by the basin wall is arranged or formed.

Ein besonders kompakter Aufbau lässt sich dadurch realisieren, dass sich die Beckenwand vom Boden des Abscheidergehäuses in Richtung der Trennwand erstreckt, ohne diese zu erreichen, und dass die Beckenwand zwischen der Durchgangsöffnung und dem Fluidauslass positioniert ist. Somit ist gewährleistet, dass das durch die Durchgangsöffnung - insbesondere von der Trennwand geführte - Flüssigwasser auch unmittelbar im Auffangbecken angelangt und nicht in unerwünschter Weise über den Fluidauslass aus dem Wasserabscheider austritt.A particularly compact structure can be achieved in that the basin wall extends from the bottom of the separator housing in the direction of the partition wall without reaching it, and that the basin wall is positioned between the passage opening and the fluid outlet. This ensures that the liquid water - in particular guided by the partition - also arrives directly in the collecting basin and does not escape from the water separator in an undesired manner via the fluid outlet.

Eine Sicherstellung der Eisfreiheit ist wünschenswert, so dass es sich als vorteilhaft erwiesen hat, wenn das Abscheidergehäuse im Bereich des Auffangbeckens mindestens eine vom Gehäuseinneren gasdicht getrennte Aufnahme umfasst, in welche ein Heizelement aufnehmbar oder aufgenommen ist. Diese Aufnahme kann beispielsweise als eine Bohrung für einen Heizstift gebildet sein, die stofflich getrennt vom Inneren des Abscheidergehäuses ausgebildet ist. Die Heizelemente oder Heizstifte geben also mittels der Wärmeleitung des Materials des Wasserabscheiders die Wärme an das im Auffangbecken gespeicherte Wasser ab, so dass etwaig vorhandenes Eis geschmolzen wird, um es über den Wasserauslass aus dem Wasserabscheider auszuleiten.Ensuring freedom from ice is desirable, so it has proven to be advantageous if the separator housing in the area of the The collecting basin comprises at least one receptacle which is separated from the housing interior in a gas-tight manner and in which a heating element can be received or received. This receptacle can be formed, for example, as a bore for a heating pin, which is materially separate from the interior of the separator housing. The heating elements or heating pins transfer the heat to the water stored in the collecting basin by means of the thermal conduction of the material of the water separator, so that any ice that may be present is melted in order to divert it out of the water separator via the water outlet.

Eine besonders zuverlässige Möglichkeit, um Wärme in das im Auffangbecken gespeicherte Eis oder auch in die dort vorhandene Flüssigkeit einzuleiten, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme in die Beckenwand zwischen dem Auffangbecken und dem Fluidauslass eingebracht ist. Somit kann also das Heizelement auch dafür verwendet werden, um den Fluidauslass zu beheizen, sollte auch dieser durch etwaig vorhandenes Eis blockiert sein.A particularly reliable way of introducing heat into the ice stored in the collecting basin or also into the liquid present there is characterized in that the receptacle is made in the basin wall between the collecting basin and the fluid outlet. The heating element can thus also be used to heat the fluid outlet should this also be blocked by any ice that may be present.

Der Effizienzsteigerung dient, wenn eine vom Gehäuseinneren gasdicht getrennte weitere Aufnahme für ein weiteres Heizelement in einen vom Fluidauslass abgewandten Bereich der Beckenwand eingebracht ist. Somit wird also das im Auffangbecken gefrorene Eis von mehreren Seiten gleichzeitig beheizt, womit eine schnellere Eisfreiheit und damit eine schnellere Froststartfähigkeit vorliegen.The increase in efficiency is used if a further receptacle for a further heating element, separated gas-tightly from the interior of the housing, is introduced into a region of the pool wall facing away from the fluid outlet. Thus, the ice frozen in the collecting basin is heated from several sides at the same time, which means that there is faster freedom from ice and thus faster frost startability.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Wasserauslass an der tiefsten Stelle des Abscheidergehäuses angeordnet ist und/oder bis zu diesem reicht, da bei Frostbedingungen sich dann kein Eispropfen vor dem Fluidauslass bilden kann und ein Purge, also ein Spülen des Anodenkreislaufes, auch bei einer Eisbildung möglich bleibt.It has proven to be advantageous if the water outlet is arranged at the lowest point of the separator housing and / or extends to this, since no ice plug can then form in front of the fluid outlet under freezing conditions and a purge, i.e. rinsing of the anode circuit, also occurs ice formation remains possible.

Bevorzugt ist es auch, wenn die Trennwand mit einer Senke gebildet ist, und wenn diese am Abscheidergehäuse angebracht oder angeformt ist. Die Ausbildung der Trennwand mit einer Senke fördert die Direktion von Flüssigwasser in das Aufnahmebecken.It is also preferred if the partition is formed with a depression and if this is attached to or molded onto the separator housing. The formation of the partition wall with a depression promotes the direction of liquid water into the receiving basin.

In vorteilhafter Weise erstreckt sich die Trennwand von einer Seitenwand des Abscheidergehäuses unter einem zwischen 0 Grad und 90 Grad liegenden Winkel bezüglich der Oberflächennormale der Seitenwand.The partition wall advantageously extends from a side wall of the separator housing at an angle between 0 degrees and 90 degrees with respect to the surface normal of the side wall.

Um den Wasserabscheider hinsichtlich seiner Komplexität einfacher gestalten zu können, ist es von Vorteil, wenn die Durchlassöffnung zwischen einem freien Ende der Trennwand und einer Seitenwand des Abscheidergehäuses ausgebildet ist.In order to be able to make the water separator simpler in terms of its complexity, it is advantageous if the passage opening is formed between a free end of the partition and a side wall of the separator housing.

Um die Flüssigkeit in das Auffangbecken zu leiten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Boden des Gehäuses zu dem Auffangbecken mit seinem Wasserauslass geneigt verläuft.In order to direct the liquid into the collecting basin, it has proven to be advantageous if the bottom of the housing is inclined towards the collecting basin with its water outlet.

Vorzugsweise sind der Fluidauslass und die Einlassöffnung an der Seitenwand des Abscheidergehäuses angeordnet. Die Auslassöffnung ist an einem Deckel des Abscheidergehäuses ausgebildet.The fluid outlet and the inlet opening are preferably arranged on the side wall of the separator housing. The outlet opening is formed on a cover of the separator housing.

Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auf für eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung, die einen solchen Wasserabscheider umfasst.The aforementioned advantages and effects apply mutatis mutandis to a fuel cell device according to the invention which comprises such a water separator.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without the scope of Invention to leave. Thus, embodiments are also to be regarded as encompassed and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, but which emerge and can be generated from the explained embodiments by means of separate combinations of features.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Wasserabscheider in der Anodenrezirkulationsleitung, und
  • 2 eine schematische Schnittdarstellung des Wasserabscheiders aus 1.
Further advantages, features and details of the invention emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and on the basis of the drawings. Show:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell device with a water separator according to the invention in the anode recirculation line, and
  • 2 a schematic sectional view of the water separator 1 .

Eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 umfasst in der Regel einen Brennstoffzellenstapel 2, der eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen aufweist. Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.A fuel cell device 1 typically comprises a fuel cell stack 2 comprising a plurality of fuel cells connected in series. Each of the fuel cells comprises an anode and a cathode as well as a proton-conductive membrane separating the anode from the cathode. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can be formed as a sulfonated hydrocarbon membrane.

Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).Via anode compartments within the fuel cell stack 2 fuel (e.g. hydrogen) is fed to the anodes. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or Fuel molecules split into protons and electrons. The membrane lets the protons (for example H + ) through, but is impermeable to the electrons (e-). The following reaction takes place at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation / electron donation). While the protons pass through the membrane to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or to an energy store via an external circuit. Cathode gas (for example oxygen or air containing oxygen) can be supplied to the cathode via cathode spaces within the fuel cell stack, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction / electron uptake).

In 1 ist schematisch der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil der Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt. Die Anodenräume sind über eine Anodenzufuhrleitung 4 mit einem den Brennstoff bereitstellenden Brennstoffspeicher 5 verbunden. In der Anodenzufuhrleitung 4 ist ein Wärmeübertrager, vorzugsweise in Form eines Rekuperators zur (Vor-)Erwärmung des Brennstoffes vorgesehen. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 6 kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden. Kathodenseitig ist ein Verdichter 7 vorhanden, mit dem die Luft stark verdichtet wird, um eine ausreichende Menge an Sauerstoff für die Vielzahl der Brennstoffzellen bereitstellen zu können, wobei die Konditionierung des Kathodengases in einem Wärmetauscher und einem Befeuchter 3 erfolgt, dem Feuchte aus dem Produktwasser des Kathodenabgases oder ergänzend aus einem anodenseitigen Wasserabscheider 8 zur Verfügung gestellt werden kann, in dem anfallendes Wasser gesammelt und über ein Ablassventil 9 abgeschieden werden kann, wobei die Menge des abzulassenden Wasser über die Öffnungszeit des Ablassventils 9 geregelt werden kann.In 1 is a schematic of the part of the fuel cell device required to explain the invention 1 shown. The anode compartments are via an anode supply line 4th with a fuel storage device providing the fuel 5 tied together. In the anode supply line 4th a heat exchanger, preferably in the form of a recuperator, is provided for (pre) heating the fuel. Via an anode recirculation line 6th fuel that has not reacted at the anodes can be returned to the anode spaces. A compressor is on the cathode side 7th present, with which the air is strongly compressed in order to be able to provide a sufficient amount of oxygen for the plurality of fuel cells, the conditioning of the cathode gas in a heat exchanger and a humidifier 3 takes place, the moisture from the product water of the cathode exhaust gas or additionally from a water separator on the anode side 8th can be made available in the accumulating water and collected via a drain valve 9 can be deposited, the amount of water to be drained over the opening time of the drain valve 9 can be regulated.

In 2 ist schematisch der Aufbau des Wasserabscheiders 8 gezeigt. Der Wasserabscheider 8 weist ein Abscheidergehäuse 10 auf, an dessen Seitenwand eine Einlassöffnung 11 und an dessen Deckel eine Auslassöffnung 12 ausgebildet sind. Das Abscheidergehäuse 10 kann aus Gründen der Bauraumausstattung im Querschnitt rechteckig geformt sein. Andere, z.B. Zylindrische Querschnitte sind aber ebenfalls möglich. Über die Einlassöffnung 11 wird der im Brennstoffzellenstapel 2 unverbrauchte Brennstoff oder das Brennstoffgemisch in den Wasserabscheider 8 eingeleitet, wobei es über die Auslassöffnung 12 in Richtung der Anodenzufuhrleitung 4 wieder aus den Wasserabscheider 8 ausgeleitet wird. Unterhalb der Einlassöffnung 11 und unterhalb der Auslassöffnung 12 ist eine Trennwand 14 an die Seitenwand des Abscheidergehäuses 10 angeformt, die vorliegend mit einer Senke 20 gebildet ist. Die Trennwand 14 erstreckt sich hierbei also von der Seitenwand des Abscheidergehäuses 10 unter einem zwischen 0 Grad und 90 Grad liegenden Winkel bezüglich der Oberflächennormale der Seitenwand. Zwischen einem freien Ende der Trennwand 14 und der ihr gegenüberliegenden Seitenwand des Abscheidergehäuses 10 ist eine Durchlassöffnung 13 ausgebildet, durch die abgeschiedene Flüssigkeit aus dem über die Einlassöffnung 11 eintretenden Gasstrom abgeleitet werden kann. In Fallrichtung unterhalb der Durchgangsöffnung 13 ist ein Auffangbecken 17 vorhanden, dem ein Wasserauslass 15 mit einem Ablassventil 9 zugeordnet ist. Rein schematisch ist punktiert der Füllstand oder das Niveau des Flüssigwassers im Auffangbeckens 17 dargestellt. Der Wasserauslass 15 ist vorliegend an der tiefsten Stelle des Abscheidergehäuses 10 angeordnet oder reicht bis zu diesem. Der Boden 16 des Abscheidergehäuses 10 verläuft von der Trennwand 14 gegenüberliegenden Seitenwand geneigt zu dem Auffangbecken 17 mit seinem Wasserauslass 15. Das Auffangbecken 17 wird durch eine Beckenwand 22 begrenzt, wobei die Beckenwand 22 einen Beckenrand 18 aufweist, der das maximale Niveau des Füllstandes mit Flüssigwasser vorgibt. Die Beckenwand 22 erstreckt sich vom Boden 16 des Abscheidergehäuses 10 in Richtung der Trennwand 14, ohne diese zu erreichen. Beim erfindungsgemäßen Wasserabscheider 8 ist zusätzlich ein durch die Beckenwand 22 räumlich vom Auffangbecken 17 getrennter Fluidauslass 21 vorhanden, dem ein Purgeventil 23 zugeordnet ist. Mit diesem zusätzlichen Fluidauslass 21 ist der Vorteil verbunden, dass selbst bei Einfrieren des Wasserablassventils 9 ein Spülvorgang des Anodenkreislaufs möglich bleibt. Außerdem ist die Möglichkeit vorhanden, dass das Flüssigwasser auch über den Beckenrand 18 übertritt, und über den Fluidauslass 21 aus dem System ausgeleitet werden kann ohne von durch die Einlassöffnung 11 über die Auslassöffnung 12 strömendes Gas wieder in den Anodenkreislauf zurückgezogen zu werden.In 2 is a schematic of the structure of the water separator 8th shown. The water separator 8th has a separator housing 10 on, on the side wall of an inlet opening 11th and an outlet opening on its cover 12th are trained. The separator housing 10 can be rectangular in cross-section for reasons of space equipment. However, other cross-sections, for example cylindrical ones, are also possible. Via the inlet opening 11th becomes the one in the fuel cell stack 2 unused fuel or the fuel mixture in the water separator 8th initiated, taking it through the outlet port 12th in the direction of the anode supply line 4th back out of the water separator 8th is diverted. Below the inlet opening 11th and below the outlet opening 12th is a partition 14th on the side wall of the separator housing 10 integrally formed, the present with a depression 20th is formed. The partition 14th extends here from the side wall of the separator housing 10 at an angle between 0 degrees and 90 degrees with respect to the surface normal of the side wall. Between a free end of the partition 14th and the opposite side wall of the separator housing 10 is a passage opening 13th formed by the separated liquid from the via the inlet opening 11th incoming gas stream can be derived. In the direction of fall below the passage opening 13th is a catch basin 17th present, which has a water outlet 15th with a drain valve 9 assigned. Purely schematically, the filling level or the level of the liquid water in the collecting basin is dotted 17th shown. The water outlet 15th is present at the lowest point of the separator housing 10 arranged or extends to this. The floor 16 the separator housing 10 runs from the partition 14th opposite side wall inclined to the collecting basin 17th with its water outlet 15th . The catch basin 17th is through a pool wall 22nd limited, the pelvic wall 22nd a pool edge 18th has, which specifies the maximum level of the liquid water level. The pool wall 22nd extends from the ground 16 the separator housing 10 towards the partition 14th without reaching this. With the water separator according to the invention 8th is also a through the pool wall 22nd spatially from the catch basin 17th separate fluid outlet 21 present, which has a purge valve 23 assigned. With this additional fluid outlet 21 is associated with the advantage that even if the water drain valve freezes 9 a rinsing process of the anode circuit remains possible. There is also the possibility that the liquid water also over the pool edge 18th crosses, and via the fluid outlet 21 can be discharged from the system without through the inlet port 11th via the outlet opening 12th flowing gas to be drawn back into the anode circuit.

Der Fluidauslass 21 ist am Abscheidergehäuse 10 in Fallrichtung unterhalb des Niveaus des durch die Beckenwand 22 gebildeten Beckenrands 18 des Auffangbeckens 17 angeordnet, so dass ein zuverlässiges Ausleiten von über den Beckenrand 18 tretender Flüssigkeit aus dem Anodenkreislauf möglich ist. Um eine Eisfreiheit innerhalb des Auffangbeckens 17 garantieren zu können, sind vorliegend zwei als Bohrungen gebildete Aufnahmen 19 zu erkennen, die vom Gehäuseinneren des Abscheidergehäuses 10 gasdicht getrennt sind. Diese Aufnahmen 19 sind also von außen in das Abscheidergehäuse 10 eingebracht. In diesen Aufnahmen 19 sind jeweils ein nicht näher dargestelltes Heizelement, insbesondere ein elektrischer Heizstift, aufgenommen. Eine erste Aufnahme 19 ist dabei in die Beckenwand 22 zwischen dem Auffangbecken 17 und dem Fluidauslass 21 eingebracht. Mit dem darin aufgenommenen Heizelement lässt sich also sowohl das Auffangbecken 17 als auch der Fluidauslass 21 erwärmen. Die weitere Aufnahme 19 und dass weitere Heizelement sind in einen vom Fluidauslass 21 abgewandten Bereich der Beckenwand 22 eingebracht, so dass also das Becken beidseits erwärmt werden kann, um Eis zu schmelzen. Die gasdichte Trennung der Aufnahmen 19 für die Heizelemente ist also als eine schnittstellenfreie Lösung zu erachten, da kein Bestandteil des Heizelements in das Innere des Abscheidergehäuses 10 hineinragt. Somit werden undichte Stellen am Abscheidergehäuse 10 vermieden.The fluid outlet 21 is on the separator housing 10 in the direction of fall below the level of the through the pool wall 22nd formed pool edge 18th of the catch basin 17th arranged so that a reliable drainage of over the pool edge 18th leaking liquid from the anode circuit is possible. To ensure that there is no ice within the catch basin 17th To be able to guarantee, in the present case two recordings formed as bores 19th can be seen from the inside of the separator housing 10 are separated gas-tight. These recordings 19th are therefore from the outside into the separator housing 10 brought in. In these recordings 19th a heating element (not shown in more detail), in particular an electric heating pin, is included in each case. A first shot 19th is in the pool wall 22nd between the catch basin 17th and the fluid outlet 21 brought in. With the heating element received in it, both the collecting basin 17th as well as the fluid outlet 21 heat. The further shot 19th and that further heating elements are in one of the fluid outlet 21 remote area of the pelvic wall 22nd introduced so that the basin can be heated on both sides to melt ice. The gas-tight separation of the recordings 19th for the heating elements is therefore to be regarded as an interface-free solution, since no component of the heating element goes into the interior of the separator housing 10 protrudes. This creates leaks on the separator housing 10 avoided.

Eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einem derartigen Wasserabscheider 8 bietet insbesondere bei deren Verwendung in einem Kraftfahrzeug Vorteile, da dieses besser auf die Bedingungen eines Froststartes angepasst ist.A fuel cell device 1 with such a water separator 8th offers advantages in particular when they are used in a motor vehicle, since this is better adapted to the conditions of a frost start.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
22
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
33
BefeuchterHumidifier
44th
AnodenzufuhrleitungAnode feed line
55
BrennstoffspeicherFuel storage
66th
AnodenrezirkulationsleitungAnode recirculation line
77th
Verdichtercompressor
88th
WasserabscheiderWater separator
99
AblassventilDrain valve
1010
AbscheidergehäuseSeparator housing
1111th
EinlassöffnungInlet opening
1212th
AuslassöffnungOutlet opening
1313th
DurchgangsöffnungThrough opening
1414th
Trennwandpartition wall
1515th
WasserauslassWater outlet
1616
Bodenfloor
1717th
AuffangbeckenCatch basin
1818th
BeckenrandPool edge
1919th
Aufnahmerecording
2020th
SenkeSink
2121
FluidauslassFluid outlet
2222nd
BeckenwandPool wall
2323
PurgeventilPurge valve

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102017215495 A1 [0004]DE 102017215495 A1 [0004]

Claims (10)

Wasserabscheider (8) mit einem Abscheidergehäuse (10), in dem eine Einlassöffnung (11) und eine Auslassöffnung (12) ausgebildet sind, mit einer unterhalb der Einlassöffnung (11) und unterhalb der Auslassöffnung (12) angeordneten, eine Durchgangsöffnung (13) belassenden oder bereitstellenden Trennwand (14), und mit einem in Fallrichtung unterhalb der Durchgangsöffnung (13) vorhandenen Auffangbecken (17), dem ein Wasserauslass (15) mit einem Ablassventil (9) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein in Fallrichtung unterhalb der Durchgangsöffnung (13) angeordneter, durch eine Beckenwand (22) räumlich vom Auffangbecken (17) getrennter Fluidauslass (21) vorhanden ist, dem ein Purgeventil (24) zugeordnet ist.Water separator (8) with a separator housing (10) in which an inlet opening (11) and an outlet opening (12) are formed, with a through opening (13) arranged below the inlet opening (11) and below the outlet opening (12) or providing partition (14), and with a collecting basin (17) which is present in the direction of fall below the through opening (13) and to which a water outlet (15) with a drain valve (9) is assigned, characterized in that a collecting basin (17) in the direction of fall below the through opening ( 13) there is a fluid outlet (21) which is arranged and is spatially separated from the collecting basin (17) by a basin wall (22) and to which a purge valve (24) is assigned. Wasserabscheider (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidauslass (21) am Abscheidergehäuse (10) in Fallrichtung unterhalb eines Niveaus eines durch die Beckenwand (22) gebildeten Beckenrands (18) des Auffangbeckens (17) angeordnet oder ausgebildet ist.Water separator (8) Claim 1 , characterized in that the fluid outlet (21) is arranged or formed on the separator housing (10) in the direction of fall below a level of a basin edge (18) of the collecting basin (17) formed by the basin wall (22). Wasserabscheider (8) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Beckenwand (22) vom Boden (16) des Abscheidergehäuses (10) in Richtung der Trennwand (14) erstreckt, ohne diese zu erreichen, und dass die Beckenwand (22) zwischen der Durchgangsöffnung (13) und dem Fluidauslass (21) positioniert ist.Water separator (8) Claim 1 or 2 , characterized in that the basin wall (22) extends from the bottom (16) of the separator housing (10) in the direction of the partition wall (14) without reaching it, and that the basin wall (22) between the through opening (13) and the Fluid outlet (21) is positioned. Wasserabscheider (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheidergehäuse (10) im Bereich des Auffangbeckens (17) mindestens eine vom Gehäuseinneren gasdicht getrennte Aufnahme (19) umfasst, in welche ein Heizelement aufnehmbar oder aufgenommen ist.Water separator (8) after one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the separator housing (10) in the area of the collecting basin (17) comprises at least one receptacle (19) which is separated from the housing interior in a gas-tight manner and in which a heating element can be or is accommodated. Wasserabscheider (8) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (19) in die Beckenwand (22) zwischen dem Auffangbecken (17) und dem Fluidauslass (21) eingebracht ist.Water separator (8) Claim 4 , characterized in that the receptacle (19) is introduced into the basin wall (22) between the collecting basin (17) and the fluid outlet (21). Wasserabscheider (8) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Gehäuseinneren gasdicht getrennte weitere Aufnahme (19) für ein weiteres Heizelement in einen vom Fluidauslass (21) abgewandten Bereich der Beckenwand (22) eingebracht ist.Water separator (8) Claim 4 or 5 , characterized in that a further receptacle (19), separated gas-tightly from the housing interior, for a further heating element is introduced into a region of the basin wall (22) facing away from the fluid outlet (21). Wasserabscheider (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserauslass (15) an der tiefsten Stelle des Abscheidergehäuses (10) angeordnet ist und/oder bis zu diesem reicht.Water separator (8) after one of the Claims 1 until 6th , characterized in that the water outlet (15) is arranged at the lowest point of the separator housing (10) and / or extends to this. Wasserabscheider (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (14) am Abscheidergehäuse (10) angebracht oder angeformt und mit einer Senke (20) gebildet ist.Water separator (8) after one of the Claims 1 until 7th , characterized in that the partition (14) is attached or molded to the separator housing (10) and formed with a depression (20). Wasserabscheider (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, die Durchlassöffnung (13) zwischen einem freie Ende der Trennwand (14) und einer Seitenwand des Abscheidergehäuses (10) ausgebildet ist.Water separator (8) after one of the Claims 1 until 8th , characterized in that the passage opening (13) is formed between a free end of the partition (14) and a side wall of the separator housing (10). Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel (2) zusammengefasster Brennstoffzellen, denen aus einem Brennstoffspeicher (5) über eine Anodenzufuhrleitung (4) ein Wasserstoff enthaltender Brennstoff und über eine Kathodengasleitung ein Sauerstoff enthaltendes Oxidationsmittel zuführbar ist zur Ermöglichung einer Produktwasser generierenden elektrochemischen Reaktion, und mit einem dem Brennstoffzellenstapel (2) zugeordneten Wasserabscheider (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.Fuel cell device (1) with a plurality of fuel cells combined to form a fuel cell stack (2), to which a fuel containing hydrogen can be fed from a fuel store (5) via an anode supply line (4) and an oxidizing agent containing oxygen via a cathode gas line to enable an electrochemical reaction generating product water , and with a water separator (8) assigned to the fuel cell stack (2) according to one of the Claims 1 until 9 .
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