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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden von Wasser aus einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Stand der Technik
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Eine Brennstoffzelle weist eine Elektrolyt-Membran auf, die zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet ist. Mit Hilfe der Brennstoffzelle können Wasserstoff, welcher der Anode zugeführt wird, und Sauerstoff, welcher in Form von Luft der Kathode zugeführt wird, in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt werden. Um die erzeugte elektrische Spannung zu erhöhen, werden in der praktischen Anwendung mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel, auch „Stack“ genannt, zusammengefasst.
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Da aus einer Brennstoffzelle austretendes Anodengas in der Regel noch unverbrauchten Wasserstoff enthält, wird es rezirkuliert und erneut der Anode zugeführt. Die Rezirkulation kann dabei passiv mit Hilfe einer Strahlpumpe und/oder aktiv mit Hilfe eines Rezirkulationsgebläses realisiert werden. Über die Zeit reichert sich jedoch das rezirkulierte Anodengas mit Stickstoff und Wasser an, da die Elektrolyt-Membran teilweise durchlässig für diese Stoffe ist, so dass sie durch die Membran von der Kathodenseite auf die Anodenseite diffundieren. Dadurch sinkt die Wasserstoffkonzentration des Anodengases, so dass der Anodenkreis von Zeit zu Zeit gespült (engl.: „purgen“) werden muss. Zum Spülen bzw. Purgen wird ein Ventil, das sogenannte Purgeventil, geöffnet, über welches Anodengas aus dem Anodenkreis abgeführt wird. Zeitgleich wird die abgeführte Menge durch frischen Wasserstoff aus einem Tank ersetzt. Um flüssiges Wasser aus dem Anodenkreis zu entfernen, ist in der Regel in den Anodenkreis ein Wasserabscheider mit Sammelbehälter integriert. Der Sammelbehälter wird durch Öffnen eines Ventils, dem sogenannten Drainventil, in eine Leitung entleert und über die Leitung abgeführt.
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Vor dem Abstellen eines Brennstoffzellensystems versucht man es vollständig von flüssigem Wasser zu befreien. Denn dieses kann bei tiefen Außentemperaturen gefrieren, so dass sensible Komponenten, wie beispielsweise Ventile und/oder Leitungen, durch Eisdruck beschädigt werden können. In der Regel wird daher das System über das Drainventil ausgeblasen. Dennoch ist es möglich, dass nach dem Abstellen noch Restwasser im System verbleibt oder anfällt, insbesondere aufgrund von Kondensation und/oder Unterdruckeffekten. Zudem wurde erkannt, dass die an das Drainventil angeschlossene Leitung nie vollständig ausgeblasen werden kann. Zur Vermeidung von Schäden durch Eisdruck wird daher die Leitung in der Regel beheizt. Allerdings besteht dann die Gefahr, dass flüssiges Wasser zum Drainventil zurückläuft, dort gefriert und das Drainventil beschädigt. Ferner kann das Drainventil durch rücklaufendes und gefrierendes Wasser unbeabsichtigt aufgedrückt werden, so dass es zu einer Leckage über das Ventil kommt.
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Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, das Drainventil besser vor rücklaufendem Restwasser und damit vor Eisdruckschäden und/oder Leckagen zu schützen.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Abscheiden von Wasser aus einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems. Bei dem Verfahren wird Anodengas aus dem Anodenkreis einem Wasserabscheider zum Abscheiden von Wasser zugeführt. Das abgeschiedene Wasser wird in einem Sammelbehälter gesammelt. Bei dem Verfahren wird zudem der Sammelbehälter durch Öffnen eines Drainventils von Zeit zu Zeit in eine Leitung entleert. Erfindungsgemäß wird mit Hilfe mindestens einer Kapillare aufweisenden Struktur, die zwischen einem Auslass des Drainventils und einem Einlass der Leitung angeordnet ist, eine Barriere geschaffen, die ein Rückströmen von Wasser aus der Leitung zum Drainventil verhindert oder zumindest erschwert.
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Die Barrierewirkung ist auf die Kapillarkräfte in den Kapillaren der mindestens einen Kapillare aufweisenden Struktur zurückzuführen. Sie bewirken, dass in den Kapillaren befindliches Wasser in den Kapillaren gehalten wird, so dass es - im Idealfall - nicht über die Barriere hinaus, insbesondere nicht zurück zum Drainventil, gelangt. Das heißt, dass im Abstellfall, nachdem das System über das Drainventil ausgeblasen worden ist, in der Leitung verbliebenes Wasser nicht zurück zum Drainventil strömen kann. Das Drainventil bleibt somit frei von Wasser, so dass bei tiefen Außentemperaturen auch kein Wasser gefrieren und das Drainventil durch Eisdruck unbeabsichtigt öffnen und/oder beschädigen kann.
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Die Kapillare sind hinsichtlich ihrer Durchmesser und/oder Länge derart bemessen, dass bei einem bestimmten Füllstand im Sammelbehälter, das heißt bei einem bestimmten hydrostatischen Druck, die mittels der Kapillarkräfte erzielte Barrierewirkung überwunden werden kann. Dadurch ist sichergestellt, dass der Sammelbehälter weiterhin über das Drainventil entleert werden kann.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass mit Hilfe mindestens einer weiteren Kapillare aufweisenden Struktur, die zwischen einem Auslass des Sammelbehälters und einem Einlass des Drainventils angeordnet ist, eine Barriere geschaffen wird. Die weitere Barriere kann analog der ersten Barriere ausgebildet sein, so dass - insbesondere im Abstellfall - nach dem Ausblasen und/oder Entleeren des Sammelbehälters der hydrostatische Druck nicht mehr ausreicht, die Barriere zu überwinden. Auf diese Weise kann im Sammelbehälter verbleibendes Restwasser oder Wasser, das nachträglich, beispielsweise aufgrund von Kondensation, im Sammelbehälter anfällt, fern vom Drainventil gehalten werden.
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Über die Kapillare aufweisenden Strukturen vor und nach dem Drainventil kann somit sichergestellt werden, dass im Abstellfall kein Wasser zum Drainventil gelangt. Demzufolge kann auch kein Wasser gefrieren und das Drainventil durch Eisdruck unbeabsichtigt öffnen oder beschädigen.
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Da Kapillare prinzipbedingt sehr kleine Durchmesser aufweisen, kann in den Kapillaren vorhandenes Wasser bei tiefen Außentemperaturen leicht gefrieren. Um bei einem Gefrierstart das Eis möglichst schnell aufzutauen, wird als weiterbildende Maßnahme vorgeschlagen, dass die mindestens eine Kapillare aufweisende Struktur beheizt wird. Sofern die an das Drainventil anschließende Leitung beheizt wird, was bevorzugt der Fall ist, kann die gleiche Heizvorrichtung zum Beheizen der Kapillare genutzt werden. Die Heizeinrichtung wird hierzu bevorzugt auf die mindestens eine Kapillare aufweisende Struktur erweitert.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das im Sammelbehälter vorhandene Wasser über mindestens eine schräge Fläche dem Auslass des Sammelbehälters zugeführt wird. Beispielsweise kann die mindestens eine schräg verlaufende Fläche eine Art Trichter ausbilden, der sich nach unten bzw. in Richtung des Auslasses verjüngt, so dass - in mobilen Anwendungen - in jeder Lage des Fahrzeugs gewährleistet ist, dass im Sammelbehälter vorhandenes Wasser dem Auslass zugeführt wird. Der Auslass ist vorzugsweise bodenseitig angeordnet, so dass das Wasser schwerkraftgetrieben dem Auslass zugeführt wird. Dies erleichtert das Entleeren des Sammelbehälters.
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Darüber hinaus wird eine Vorrichtung zum Abscheiden von Wasser aus einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst einen Wasserabscheider zum Abscheiden des Wassers, einen Sammelbehälter zum Sammeln des abgeschiedenen Wassers, ein Drainventil zum Entleeren des Sammelbehälters und eine an das Drainventil angeschlossene Leitung zum Abführen des Wassers. Erfindungsgemäß ist zwischen einem Auslass des Drainventils und einem Einlass der Leitung mindestens eine Kapillare aufweisende Struktur angeordnet.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, so dass mit ihr die gleichen zuvor beschriebenen Vorteile erzielbar sind. Insbesondere kann mit Hilfe der mindestens einen Kapillare aufweisenden Struktur ein Rückströmen von Wasser aus der Leitung zum Drainventil verhindert werden, da die in den Kapillaren wirkenden Kapillarkräfte das Wasser festhalten. Auf diese Weise wird eine Barriere geschaffen, die im Abstellfall verhindert, dass Wasser aus der Leitung zum Drainventil gelangt. Demzufolge kann kein Wasser gefrieren und das Drainventil - aufgrund Eisdruck - unbeabsichtigt öffnen oder sogar beschädigen kann. Die Durchmesser und/oder Längen der Kapillare sind derart bemessen, dass die Barrierewirkung der mindestens einen Kapillare aufweisenden Struktur über den hydrostatischen Druck im Sammelbehälter überwunden werden kann, so dass der Behälter weiterhin über das Drainventil in die Leitung entleert werden kann.
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Bevorzugt ist zwischen einem Auslass des Sammelbehälters und einem Einlass des Drainventils mindestens eine weitere Kapillare aufweisende Struktur angeordnet. Im Abstellfall kann durch Öffnen des Drainventils der Sammelbehälter soweit entleert werden, dass der hydrostatische Druck nicht mehr ausreicht, die Barrierewirkung der Kapillare aufweisenden Strukturen zu überwinden. Das Drainventil kann auf diese Weise sowohl auslassseitig als auch einlassseitig „trocken“ gelegt werden, um Schäden und/oder Leckagen aufgrund von Eisdruck zu vermeiden.
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Die mindestens eine Kapillare aufweisende Struktur kann beispielsweise eine von einer Vielzahl an Bohrungen durchsetzte Scheibe, ein Gitter, ein Netz und/oder ein Gewebe sein. Die Anzahl der Bohrungen bzw. die aufsummierte freie Querschnittsfläche kann sich insbesondere nach dem noch zulässigen Druckverlust richten. Der Durchmesser der Bohrungen und/oder Öffnungen wird vorzugsweise derart gewählt, dass die Kapillarkräfte etwas größer sind als die Feldkräfte durch die Schwerkraft, aber immer deutlich geringer als die zur Verfügung stehenden dynamischen Druckkräfte. Die Länge der Bohrungen ist derart bemessen, dass sich die gewünschten Kapillarkräfte bilden können.
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Vorteilhafterweise ist die mindestens eine Kapillare aufweisende Struktur beheizbar. Auf diese Weise kann ein Gefrieren von Wasser in den Kapillaren verhindert werden. Bei einem Gefrierstart kann Eis, das sich während der Abstellphase gebildet hat, schnell aufgetaut werden.
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Des Weiteren bevorzugt weist der Sammelbehälter der Vorrichtung mindestens eine das Behältervolumen begrenzende Fläche auf, die schräg verläuft. Über die mindestens eine schräg verlaufende Fläche kann eine Art Trichter gebildet werden, die das Wasser in Richtung des Auslasses des Sammelbehälters lenkt. Die mindestens eine Fläche verläuft daher vorzugsweise schräg in Richtung des Auslasses. Weiterhin vorzugsweise verjüngt sich der Sammelbehälter in Richtung des Auslasses, so dass die beim Entleeren im Sammelbehälter verbleibende Restmenge möglichst klein ist. Der Auslass des Sammelbehälters ist idealerweise bodenseitig angeordnet.
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Da die vorgeschlagene Vorrichtung bevorzugt in einem Brennstoffzellensystem zum Einsatz gelangt, wird ferner ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodenkreis sowie einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen. Der Wasserabscheider der Vorrichtung ist dabei in den Andenkreis integriert. Über den Anodenkreis kann dann dem Wasserabscheider Anodengas zugeführt werden, um dieses von Wasser zu befreien. Die Vorteile der Vorrichtung tragen in dieser Anwendung dazu bei, dass die Robustheit des Brennstoffzellensystems, insbesondere gegenüber Eisdruck, steigt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abscheiden von Wasser,
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich einer ersten Kapillare aufweisenden Struktur,
- 3 einen vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich einer zweiten Kapillare aufweisenden Struktur und
- 4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abscheiden von Wasser.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abscheiden von Wasser 1 aus einem Anodenkreis 2 eines Brennstoffzellensystems 3 (siehe 4) umfasst einen Wasserabscheider 4 mit integriertem Sammelbehälter 5. Der Sammelbehälter 5 weist eine das Behältervolumen begrenzende Fläche 14 auf, die in Richtung eines bodenseitigen Auslasses 12 schräg verläuft. Im Sammelbehälter 5 befindliches Wasser 1 wird demnach über die Fläche 14 dem Auslass 12 zugeführt.
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Der Auslass 12 des Sammelbehälters 5 ist über eine Anschlussleitung 20 mit einem Einlass 13 eines Drainventils 6 verbunden. In die Anschlussleitung 20 ist eine Kapillare 8 aufweisende Struktur 9 integriert, so dass bei geöffnetem Drainventil 6 Wasser 1 aus dem Sammelbehälter 5 durch die Kapillare 8 strömt, vorausgesetzt, dass der hydrostatische Druck im Sammelbehälter 5 ausreicht die in den Kapillaren 8 wirkenden Kapillarkräfte zu überwinden. Dies ist bei gefülltem Sammelbehälter 5 stets der Fall. Unterschreitet jedoch der Füllstand im Sammelbehälter 5 ein vorgegebenes Minimum, bildet die Kapillare 8 aufweisende Struktur 9 eine Barriere aus, die verhindert, dass Wasser 1 aus dem Sammelbehälter 5 zum Drainventil 6 gelangt (siehe 2).
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Zwischen einem Auslass 10 des Drainventils 6 und einem Einlass 11 einer Leitung 7 ist eine weitere Kapillare 8 aufweisende Struktur 9 in einer Anschlussleitung 21 angeordnet. Analog zur ersten Struktur 9 in der Anschlussleitung 20 bildet auch diese aufgrund der in den kapillaren 8 wirkenden Kapillarkräfte eine Barriere für Wasser aus, so dass kein Wasser 1, das zuvor über das Drainventil 6 in die Leitung 7 eingeleitet wurde, aus der Leitung 7 zurück zum Drainventil 6 gelangt (siehe 3).
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Wie beispielhaft in der 4 dargestellt, kann zur Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung in ein Brennstoffzellensystem 3 der Wasserabscheider 4 der Vorrichtung in einen Anodenkreis 2 des Brennstoffzellensystems 3 integriert werden. Das Anodengas des Anodenkreises 2 kann dann mit Hilfe des Wasserabscheiders 4 entfeuchtet werden, bevor es rezirkuliert und erneut einem Brennstoffzellenstapel 18 zugeführt wird. Die Rezirkulation kann passiv mittels der dargestellten Saugstrahlpumpe 15 und/oder aktiv mit Hilfe des dargestellten Gebläses 17 bewirkt werden. Frisches Anodengas, vorzugsweise frischer Wasserstoff, kann einem Tank (nicht dargestellt) entnommen und über ein Dosierventil 16 in den Anodenkreis 2 eingebracht werden. Da sich das rezirkulierte Anodengas über die Zeit nicht nur mit Wasser, sondern auch mit Stickstoff anreichert, ist ferner ein Purgeventil 19 zum Spülen bzw. Purgen des Anodenkreises 2 vorgesehen. Die über das Purgeventil 19 abgeleitete Gasmenge und die über das Drainventil 6 und die Leitung 7 abgeführte Wassermenge können zusammengeführt werden.
