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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 bei geöffnetem Drainventil das Wasser schwerkraftgetrieben über eine Steigleitung der Leitung zugeführt, so dass die Schwerkraft ein Rücklaufen von Wasser aus der Leitung zum Drainventil verhindert.
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Der Begriff „Steigleitung“ bezeichnet eine Leitung, die ein gewisses Gefälle aufweist, so dass die Schwerkraft zum Abführen von Wasser nutzbar ist. Zusätzlich zur Schwerkraft können weitere Faktoren, insbesondere die vorherrschenden Druckverhältnisse, dafür sorgen, dass - bei geöffnetem Drainventil - Wasser aus dem Sammelbehälter über das Drainventil und die Steigleitung in die Leitung zum Abführen des Wassers gelangt. Die Druckverhältnisse hängen insbesondere vom Füllstand im Sammelbehälter ab.
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Die Schwerkraft wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch nicht nur zum Abführen von Wasser genutzt, sondern stellt zugleich in umgekehrter Strömungsrichtung eine natürliche Barriere dar, die ein Rückströmen von Wasser verhindert.
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Um diese Effekte der Schwerkraft zu nutzen, muss der Auslass des Drainventils geodätisch höher gelegen sein als der Einlass der Leitung. Das heißt, dass das Verfahren eine bestimmte Anordnung des Drainventils innerhalb des Systems sowie eine bestimmte Leitungsführung erfordert. Insbesondere muss die Steigleitung ein ausreichendes Gefälle aufweisen. Dies gilt vor allem für mobile Anwendungen, um die gewünschten Effekte auch dann zu erzielen, wenn das Fahrzeug auf einem unebenen Untergrund steht. Idealerweise ist daher die Steigleitung zumindest annähernd vertikal geführt. Grundsätzlich reicht jedoch auch eine Neigung der Steigleitung gegenüber dem Untergrund von etwa 45° oder darüber aus.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Wasser aus dem Sammelbehälter über eine weitere Steigleitung dem Drainventil zugeführt wird und zur Überwindung der Schwerkraft der Druck der Wassersäule im Sammelbehälter bzw. der hydrostatische Druck genutzt wird. Wird das Drainventil bei vollem Sammelbehälter geöffnet, um diesen zu entleeren, reicht der hydrostatische Druck aus, so dass bis auf eine kleine Restmenge kein Wasser im Behälter verbleibt. Im Abstellfall kann durch Öffnen des Drainventils sichergestellt werden, dass bis auf die verbleibende kleine Restmenge sich kein Wasser mehr im Sammelbehälter befindet. Die verbleibende Restmenge ist jedoch zu klein, um die Schwerkraft zu überwinden. Über die beiden zum Drainventil führenden Steigleitungen ist demnach sichergestellt, 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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Die zweite Steigleitung kann anlog der ersten Steigleitung ausgeführt sein. Das heißt, dass sie ein gewisses Gefälle aufweist, vorzugsweise zumindest annähernd vertikal ausgerichtet ist. Das Drainventil, insbesondere der Einlass des Drainventils, ist hierzu oberhalb des Auslasses des Sammelbehälters angeordnet. Das heißt, dass der Einlass des Drainventils geodätisch höher gelegen ist als der Auslass des Sammelbehälters.
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Des Weiteren bevorzugt wird das im Sammelbehälter vorhandene Wasser über mindestens eine schräge Fläche einem bodenseitig angeordneten Auslass des Sammelbehälters zugeführt wird. Dadurch, dass der Auslass bodenseitig angeordnet ist, kann der Druck der gesamten Wassersäule dazu genutzt werden, das Wasser aus dem Sammelbehälter dem höher gelegenen Drainventil zuzuführen. Die mindestens eine schräge Fläche des Sammelbehälters leitet das in den Behälter gelangende Wasser dem Auslass zu. Vorzugsweise formen die die das Behältervolumen begrenzenden Flächen eine Art Trichter, der sich nach unten bzw. in Richtung des Auslasses verjüngt, so dass - in mobilen Anwendungen - in jeder Lage des Fahrzeugs gewährleistet ist, dass das im Behälter befindliche Wasser zum Auslass gelangt.
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Vorteilhafterweise wird bzw. werden die Leitung zum Abführen von Wasser und/oder die mindestens eine Steigleitung zumindest abschnittsweise beheizt. Durch Beheizen kann die Eisbildung verhindert oder eingeschränkt werden. Sollte sich im Abstellfall Eis gebildet haben, kann dieses schnell aufgetaut werden. Die Beheizung kann beispielsweise elektrisch bewirkt werden.
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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 der Anschluss der Leitung an das Drainventil über eine Steigleitung hergestellt.
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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 Steigleitung ein Rückströmen von Wasser aus der Leitung zum Drainventil verhindert werden, da die Schwerkraft dies nicht zulässt. Im Abstellfall kann somit Wasser aus der Leitung fern vom Drainventil gehalten werden, so dass kein Wasser gefrieren und das Drainventil - aufgrund Eisdruck - unbeabsichtigt öffnen oder sogar beschädigen kann. Der Begriff „Steigleitung“ hat in Zusammenhang mit der Vorrichtung die gleiche Bedeutung wie in Zusammenhang mit dem Verfahren.
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In Weiterbildung der Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass das Drainventil über eine weitere Steigleitung mit dem Sammelbehälter verbunden ist. Im Abstellfall kann durch Öffnen des Drainventils der Sammelbehälter soweit entleert werden, dass der hydrostatische Druck allein nicht mehr ausreicht, um dem Drainventil Wasser zuzuführen. Zum Drainventil gelangt somit weder Wasser aus der auslassseitig über die erste Steigleitung angeschlossenen Leitung noch aus dem einlassseitig über die zweite Steigleitung angeschlossenen Sammelbehälter. Das Drainventil kann somit sowohl auslassseitig als auch einlassseitig „trocken“ gelegt werden, um Schäden und/oder Leckagen aufgrund von Eisdruck zu vermeiden.
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Um diese Effekte zu erzielen ist das Drainventil bevorzugt an einer geodätisch höher gelegenen Stelle als ein bodenseitiger Auslass des Sammelbehälters und/oder ein einlassseitiges Ende der Leitung angeordnet. Die mindestens eine Steigleitung kann zudem mit ausreichend starkem Gefälle verlegt werden. Beispielsweise kann die mindestens eine Steigleitung zumindest annähernd vertikal ausgerichtet sein. In dieser Ausrichtung bietet sie maximalen Schutz vor rückströmendem Wasser aus der angeschlossenen Leitung oder vor Wasser aus dem Wasserbehälter.
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Ferner bevorzugt bildet die mindestens eine Steigleitung einen Siphon aus. Das heißt, dass die Steigleitung bis zu einer gewissen Höhe stets mit Waser befüllt ist. Sofern die erste Steigleitung einen Siphon ausbildet, ist die Höhe insbesondere durch den Verlauf der angeschlossenen Leitung vorgegeben. Sofern die zweite Steigleitung einen Siphon ausbildet, ist die Höhe vorrangig durch den Füllstand im Sammelbehälter vorgegeben. Da in diesem Fall zumindest ein Teilbereich der jeweiligen Steigleitung stets mit Wasser gefüllt ist, ist zumindest dieser Teilbereich bevorzugt beheizbar, um Eisbildung zu verhindern oder bei Eisbildung das Eis schnell aufzutauen.
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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.
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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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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abscheiden von Wasser,
- 2 eine schematische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abscheiden von Wasser und
- 3 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 3) umfasst einen Wasserabscheider 4 mit integriertem Sammelbehälter 5. Der Sammelbehälter 5 weist eine das Behältervolumen begrenzende Fläche 10 auf, die in Richtung eines bodenseitigen Auslasses 11 schräg verläuft. Im Sammelbehälter 5 befindliches Wasser 1 wird demnach über die Fläche 10 dem Auslass 11 zugeführt. Der Auslass 11 ist über eine Steigleitung 9 mit einem Drainventil 6 verbunden, das demnach geodätisch höher als der Auslass 11 des Sammelbehälters 5 liegt. Um dem Drainventil 6 Wasser 1 aus dem Sammelbehälter 5 zuzuführen, muss daher das Wasser mit Hilfe des Drucks der Wassersäule im Sammelbehälter 5 bzw. mit Hilfe des hydrostatischen Drucks auf das Einlassniveau des Drainventils 6 gehoben werden. Auslassseitig ist das Drainventil 6 über eine weitere Steigleitung 8 an eine Leitung 7 angeschlossen, über die das Wasser aus dem System abgeführt und/oder einer weiteren Nutzung zugeführt wird. Da das Drainventil 6 geodätisch höher als ein Einlass 12 der Leitung 7 angeordnet ist, kann die Schwerkraft g (siehe Pfeil) genutzt werden, um das Wasser 1 über die Steigleitung 8 der Leitung 7 zuzuführen. Die Schwerkraft g verhindert zugleich, dass Wasser 1 über die Steigleitung 8 zurück zum Drainventil 6 gelangt, so dass dieses vor rückströmendem Wasser sowie vor Eisdruckschäden geschützt ist. In gleicher Weise ist das Drainventil 6 vor Wasser 1 aus dem Sammelbehälter 5 geschützt, da - bei vorhergehender Leerung des Sammelbehälters 5 - der hydrostatische Druck allein nicht ausreicht, die Schwerkraft g zu überwinden.
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In der 2 ist eine Abwandlung der Vorrichtung der 1 dargestellt. Diese unterscheidet sich von der der 1 lediglich durch die Ventilart des Drainventils 6. In der 2 ist das Drainventil 6 als Durchlaufventil ausgeführt. Der Einlass ist hierzu oberhalb des Auslasses des Drainventils 6 angeordnet. In der 1 befinden sich der Einlass und der Auslass auf derselben Seite des Drainventils 6.
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Wie beispielhaft in der 3 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 16 zugeführt wird. Die Rezirkulation kann passiv mittels der dargestellten Saugstrahlpumpe 13 und/oder aktiv mit Hilfe des dargestellten Gebläses 15 bewirkt werden. Frisches Anodengas, vorzugsweise frischer Wasserstoff, kann einem Tank (nicht dargestellt) entnommen und über ein Dosierventil 14 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 17 zum Spülen bzw. Purgen des Anodenkreises 2 vorgesehen. Die über das Purgeventil 17 abgeleitete Gasmenge und die über das Drainventil 6 und die Leitung 7 abgeführte Wassermenge können zusammengeführt werden.
