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Die Erfindung betrifft eine Wasserabscheidevorrichtung für eine Brennstoffzelle, welche über eine Gefrierschutzeinrichtung mit einem beweglichen Volumenausgleichskörper verfügt. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzellenvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, welche über eine solche Wasserabscheidevorrichtung verfügt.
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Im Rahmen der Elektrifizierung von Personen- und Nutzfahrzeugen kommen auch Brennstoffzellen als elektrische Energiequellen zum Einsatz. Bei der Brennstoffzelle handelt es sich um eine galvanische Zelle, in der basierend auf einer chemischen Reaktion zwischen einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel elektrische Energie gewonnen wird. Im Kraftfahrzeugbereich wird als Brennstoff vorzugsweise Wasserstoff eingesetzt. Als Oxidationsmittel dient Luftsauerstoff. Die Brennstoffzelle umfasst zwei Elektroden (Anode und Kathode), welche durch eine semipermeable Membran voneinander getrennt sind. Die beiden Reaktionspartner, Brennstoff und Oxidationsmittel, werden den Elektroden kontinuierlich zugeführt. Die Membran ist dabei nur für eine der bei der Reaktion freigesetzten Ionensorten, z. B. Protonen, durchlässig. Bei der Reaktion zwischen dem Oxidationsmittel und dem Brennstoff wird elektrische Energie freigesetzt, welche zum Betrieb der Elektromotoren des Kraftfahrzeugs verwendet wird. Im Fall vom Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel entsteht auf Seiten der Kathode Wasser als Reaktionsprodukt. Im Laufe des Betriebs der Brennstoffzelle diffundieren nach und nach Stickstoff (als Hauptbestandteil von Luft) und Wasser von der Kathode über die Membran auch zur Anode. Dies ist unerwünscht, denn Stickstoff und Wasser blockieren die Kanäle der Wasserstoffversorgung und vermindern die gleichmäßige Verteilung des Wasserstoffs innerhalb der Anode, was den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle negativ beeinträchtigt. Zur Vermeidung einer Aufkonzentrierung von Wasser in Anode und Kathode muss dieses aus den Elektroden evakuiert werden. Dies geschieht häufig durch Ausblasen. Das wasserhaltige Gasgemisch (Aerosol), welches die Elektroden verlässt, wird ausgangsseitig einem Wasserabscheider zugeführt, in dem das Wasser vom restlichen Gas abgetrennt wird. Das abgetrennte Wasser wird dabei einem Sammelbehälter ausgefangen und von Zeit zu Zeit über ein Ventil abgelassen. Bei einem Betrieb der Brennstoffzelle unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser kann es im Bereich des Sammelbehälters und des Ventils zu Eisbildung kommen. Aufgrund der dadurch auftretenden, sehr hohen Druckkräfte können Wasserabscheider, Sammelbehälter und Ventile beschädigt oder zerstört werden. Das Risiko einer Eisbildung ist bei abgeschalteter Brennstoffzelle besonders groß. Zur Vermeidung von Eisbildung können die betroffenen Komponenten elektrisch oder mittels eines Wärmeträgerfluids geheizt werden. Jedoch ist die dafür notwendige, technische Infrastruktur aufwändig, kostspielig und anfällig für Defekte.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Wasserabscheidevorrichtung für eine Brennstoffzelle sowie eine Brennstoffzellevorrichtung bereitzustellen, welche sich durch eine verbesserte Betriebssicherheit auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser bei gleichzeitig geringen Kosten und geringem technischen Aufwand auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine Wasserabscheidevorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 weist eine Abscheideeinrichtung zum Abscheiden von Wasser aus einem aus der Brennstoffzelle abgeführten, wasserhaltigem Gasgemisch auf. Zur Wasserabscheidevorrichtung gehört ferner ein Behälter mit einem Sammelvolumen zum Sammeln bzw. Auffangen des durch die Abscheideeinrichtung abgeschiedenen Wassers. Zur Wasserabscheidevorrichtung gehört -ferner eine Gefrierschutzeinrichtung mit einem beweglichen Volumenausgleichskörper, welcher mit dem Sammelvolumen druckkraftübertragend gekoppelt ist, wobei die Gefrierschutzeinrichtung derart ausgebildet ist, dass bei einem Gefrieren des Wassers im Sammelvolumen sich der Volumenausgleichskörper unter Vergrößerung des Sammelvolumens in Richtung einer Gefrierposition bewegt, und dass bei einem Schmelzen des gefrorenen Wassers im Sammelvolumen sich der Volumenausgleichskörper unter Verkleinerung des Sammelvolumens in Richtung einer Schmelzposition zurückbewegt.
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Eis weist ein um ca. 8-10% größeres spezifisches Volumen als Wasser auf. Gefriert das im Behälter angesammelte Wasser zu Eis, so entstehen sehr hohe Druckkräfte, falls eine Expansion des Eises bzw. ein ausreichender Volumenausgleich nicht möglich ist. Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist darin zu sehen, eine Gefrierschutzeinrichtung vorzusehen, die einen variablen Volumenausgleich im Sammelvolumen ermöglicht. Mit anderen Worten ermöglicht die Gefrierschutzeinrichtung eine bedarfsweise Vergrößerung des Sammelvolumens im Falle einer Vereisung des Wassers im Sammelvolumen, und eine entsprechende Verkleinerung des Sammelvolumens im Falle der Verflüssigung des Eises im Sammelvolumen. Der Volumenausgleichskörper hat zwei gegenüberliegende Oberflächenseiten. Auf einer Oberflächenseite steht er mit dem Sammelvolumen und, je nach Füllstand, mit dem darin angesammelten Wasser bzw. Eis in druckkraftübertragendem Kontakt. Auf der anderen Oberflächenseite steht der Volumenausgleichskörper mit der Umgebung (Atmosphärendruck, Umgebungsluft) in kraftübertragendem Kontakt. Alternativ kann Volumenausgleichskörper auf der anderen Oberflächenseite auch mit einer Rückstelleinrichtung gekoppelt sein, welche eine Kraft auf ihn ausübt, welcher der Kraft auf Seiten des Sammelvolumens entgegengerichtet ist (siehe Anspruch 2). Der Volumenausgleichskörper ist entlang einer Verschiebestrecke beweglich bzw. verschieblich gelagert. Er nimmt entlang dieser Verschiebestrecke eine Position ein, in der die Kräfte, die auf gegenüberliegenden Oberflächenseiten auf ihn einwirken, im Gleichgewicht sind. Falls sich Wasser im Sammelvolumen befindet, so befindet sich der Volumenausgleichskörper in einer Schmelzposition. Gefriert nun das Wasser im Sammelvolumen, so hat dies eine einseitige Erhöhung der Druckkraft auf den Volumenausgleichskörper zur Folge. Der Volumenausgleichskörper bewegt sich dann entlang der Verschiebestrecke in Richtung der Gefrierposition, in der dann wieder Kräftegleichgewicht herrscht. Schmilzt das Eis im Sammelvolumen, so hat dies aufgrund des Schrumpfens des Eisvolumens eine einseitige Erniedrigung der Druckkraft auf den Volumenausgleichskörper auf Seiten des Sammelvolumens zur Folge (z.B. aufgrund des Evakuierungseffekts im Raum zwischen Volumenausgleichskörper und dem schmelzenden Eis). Der Volumenausgleichskörper bewegt sich dann entlang der Verschiebestrecke in Richtung der Schmelzposition bis wieder Kräftegleichgewicht herrscht. Die Gefrierschutzeinrichtung ist derart dimensioniert, dass die Vergrößerung des Sammelvolumens ausreichend groß ist, um eine Beschädigung der Wasserabscheidevorrichtung aufgrund der Eisbildung zu vermeiden. Beispielsweise kann die Gefrierschutzeinrichtung derart ausgebildet bzw. dimensioniert, dass sich das Sammelvolumen bei Eisbildung um mindestens 8% erweitern bzw. vergrößern kann. Dadurch kann eine Beschädigung der Wasserabscheidevorrichtung bei Eisbildung innerhalb des Sammelvolumens sicher vermieden werden. Die Betriebssicherheit der Wasserabscheidevorrichtung ist dadurch auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts sichergestellt. Die Kosten und die Störanfälligkeit sind gering. Auf eine elektrische oder fluidbasierte Beheizung kann verzichtet werden, was die Kosten, den technischen Aufwand und die Störanfälligkeit der Wasserabscheidevorrichtung erheblich reduziert.
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In einer Ausgestaltung der Wasserabscheidevorrichtung nach Anspruch 2 weist die Gefrierschutzeinrichtung eine mit dem Volumenausgleichskörper kraftübertragend gekoppelte Rückstelleinrichtung zum Ausüben einer in Richtung der Schmelzposition gerichteten Rückstellkraft auf den Volumenausgleichskörper auf, wobei bei einer Bewegung des Volumenausgleichskörpers in Richtung der Gefrierposition sich die Rückstellkraft verstärkt, und wobei bei einer Bewegung des Volumenausgleichskörpers in Richtung der Schmelzposition sich die Rückstellkraft verringert.
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Eine Rückstelleinrichtung stellt die Rückbewegung des Volumenausgleichskörpers in die Schmelzposition sicher. Außerdem ist es möglich, die Rückstellkraft durch entsprechende Auswahl der Rückstelleinrichtung einzustellen.
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Dabei kann die Rückstelleinrichtung gemäß einer Ausgestaltung nach Anspruch 3 eine mechanische Feder (z.B. aus Metall), ein Elastomer oder eine Gasdruckfeder aufweisen, welche mit dem Volumenausgleichskörper kraftübertragend gekoppelt ist.
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In einer Ausgestaltung der Wasserabscheidevorrichtung nach Anspruch 4 weist die Rückstelleinrichtung einen biegeelastischen Stab auf, welcher mit dem Volumenausgleichskörper derart gekoppelt ist, dass er sich bei Bewegung des Volumenausgleichskörpers in die Gefrierposition elastisch unter Verstärkung der Rückstellkraft biegt.
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Dies sind sehr effiziente, zuverlässige und kostengünstige Bauformen der Rückstelleinrichtung, welche durch entsprechende Auswahl der Geometrie und der verwendeten Werkstoffe eine Anpassung der Rückstellkraft durch entsprechende Materialauswahl und Dimensionierung ermöglichen.
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In einer Ausgestaltung der Wasserabscheidevorrichtung nach Anspruch 5 weist der Behälter an einer Begrenzungswand einen Hohlraum auf, wobei der Volumenausgleichskörper in dem Hohlraum verschiebbar angeordnet ist, und wobei die Rückstelleinrichtung auf der dem Sammelvolumen abgewandten Seite des Volumenausgleichskörpers angeordnet ist.
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In einer Ausgestaltung der Wasserabscheidevorrichtung nach Anspruch 6 weist die Gefrierschutzeinrichtung einen Sensor zur Erfassung eines Werts im Sammelvolumen auf.
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Dadurch kann der Durchbruch in der Begrenzungswand des Behälters zugleich als Zugang für einen Sensor zum Sammelvolumen genutzt werden. Somit kann ein separater Zugang eingespart werden.
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Eine Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 7 weist auf:
- - eine Brennstoffzelle, welche eine Anodeneinrichtung und eine Kathodeneinrichtung aufweist, wobei die Anodeneinrichtung einen Anodenausgang zum Abführen von wasserhaltigem Gasgemisch aus der Anodeneinrichtung aufweist, und wobei die Kathodeneinrichtung einen Kathodenausgang zum Abführen von wasserhaltigem Gasgemisch aus der Kathodeneinrichtung aufweist,
- - zumindest eine Wasserabscheidevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welche mit dem Anodenausgang und/oder dem Kathodenausgang gekoppelt ist.
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Bezüglich der Vorteile dieser Brennstoffzellenvorrichtung wird auf die Ausführung zu den Ansprüchen 1 bis 6 verwiesen, welche in analoger Weise auch für die Brennstoffzellenvorrichtung gelten.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
- 1 Eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung für ein Kraftfahrzeug;
- 2 eine schematische Darstellung der Brennstoffzelle und der zugehörigen Wasserabscheidevorrichtungen;
- 3 - 4 schematische Darstellungen des grundsätzlichen Aufbaus und der grundsätzlichen Funktionsweise der Gefrierschutzeinrichtung;
- 5 - 13 schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsbeispiele der Gefrierschutzeinrichtung;
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In 1 ist ein Kraftfahrzeug 1 mit einem Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzellenvorrichtung 2 schematisch dargestellt. Kernstück der Brennstoffzellenvorrichtung 2 ist die eigentliche Brennstoffzelle 3, welche als galvanische Zelle fungiert. Die Brennstoffzelle 3 weist eine Anodeneinrichtung 4 und eine Kathodeneinrichtung 5 auf, die durch eine Elektrolyteinrichtung 6 (lonenleiter) voneinander getrennt sind. Die Elektrolyteinrichtung 6 kann beispielsweise als Polymerelektrolytmembran ausgebildet, welche nur für Protonen, nicht jedoch für Elektronen durchlässig ist. Alternativ können auch bestimmte Keramiken oder andere Festelektrolyten eingesetzt werden. Die Anodeneinrichtung 4 und die Kathodeneinrichtung 5 weisen Elektrodenplatten bzw. Bipolarplatten auf (nicht dargestellt), welche vorzugsweise aus Metall oder Kohlenstoff gefertigt sind und mit einem Katalysator, wie beispielsweise Platin oder Palladium beschichtet sind.
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Zur Brennstoffzellenvorrichtung 2 zählen ferner eine Brennstoffversorgungseinrichtung 7, welche mit einem Eingang 8 der Anodeneinrichtung 4 gekoppelt ist, um diese mit Brennstoff zu versorgen. Die Brennstoffversorgungseinrichtung 7 weist einen Brennstofftank 9 auf, in dem der Brennstoff gelagert ist. Im Ausführungsbeispiel dient als Brennstoff Wasserstoff, welcher in flüssiger oder gasförmiger Form unter sehr hohen Druck (z.B. 350 bar bis 700 bar) im Brennstofftank 9 gelagert ist. Der Brennstofftank 9 ist über eine Versorgungsleitung 10 mit dem Eingang 8 der Anodenvorrichtung 4 verbunden. Stromabwärts (Pfeil) des Brennstofftanks 9 sind in der Versorgungsleitung 10 hintereinander ein Absperrventil 11 und ein Druckminderer 12 angeordnet. Der Druckminderer 12 reduziert den Gasdruck auf ca. 10 bar bis 30 bar. Weiter stromabwärts in der Versorgungsleitung 10 ist ein elektrisch betätigtes Dosierventil 13 vorgesehen, mittels dem eine gezielte Dosierung des Wasserstoffs in die Anodeneinrichtung 4 möglich ist. Die Steuerung des Dosierventils 13 erfolgt dabei durch eine der Brennstoffzellenvorrichtung 2 zugeordnete Steuervorrichtung 14, welche mit dem Dosierventil 13 elektrisch verbunden ist. Zwischen dem Dosierventil 14 und der Anodeneinrichtung 4 ist ferner ein Drucksensor 15 angeordnet, der mit der Steuervorrichtung 14 verbunden ist und dieser den Wasserstoffdruckwert am Eingang 8 der Anodeneinrichtung 4 bereitstellt. Der Druck innerhalb der Anodeneinrichtung 4 bewegt sich beim Betrieb der Brennstoffzelle 3 im Bereich zwischen 0,8 bar und 4 bar.
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Zur Brennstoffzellenvorrichtung 2 zählt weiterhin eine Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 16, welche mit der Kathodeneinrichtung 5 gekoppelt ist, um diese mit Oxidationsmittel zu versorgen. Im Ausführungsbeispiel dient Luftsauerstoff als Oxidationsmittel, welcher der Kathodeneinrichtung 5 durch die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 16 zugeführt wird. Um sicherzustellen, dass der Sauerstoffdruck in der Kathodeneinrichtung 5 ausreichend hoch ist, weist die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 16 einen weiteren Drucksensor 17 auf, welcher der Steuervorrichtung 14 den Sauerstoffdruck bzw. den Luftdruck am Eingang 18 der Kathodeneinrichtung 5 liefert.
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Der Wasserstoff auf Seiten der Anodeneinrichtung 4 reagiert mit dem Luftsauerstoff auf Seiten der Kathodeneinrichtung 5 unter Bildung von Wasser, wobei es zwischen der Anodeneinrichtung 4 und der Kathodeneinrichtung 5 zu einem Gleichstromfluss kommt. Der Gleichstrom kann zum Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeugs 1 verwendet werden.
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Mit der Zeit diffundieren Teile des Stickstoffs und Wasser von der Kathodeneinrichtung 5 durch die Polymerelektrolytmembran 6 zur Anodeneinrichtung 4. Die Diffusion dieser beiden Substanzen ist jedoch unerwünscht, da diese Substanzen die Versorgungskanäle für den Wasserstoff blockieren und ferner eine gleichmäßige Verteilung des Wasserstoffs über die gesamte Membranfläche verhindern.
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Um die Wirksamkeit und die Effizienz der Brennstoffzelle aufrechtzuerhalten, werden die jeweiligen Reaktionsprodukte aus der Anodeneinrichtung 4 und der Kathodeneinrichtung 5 abgeführt.
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Dazu weist die Anodeneinrichtung 4 einen Anodenausgang 41 auf, über welchen die Reaktionsprodukte aus der Anodeneinrichtung 4 evakuiert, d.h. abgeführt werden können. Bei den Reaktionsprodukten auf Seiten der Anodeneinrichtung 4 handelt es sich im Wesentlichen um ein Gasgemisch aus Wasserdampf, Stickstoff und Wasserstoff als Hauptkomponenten.
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Die Kathodeneinrichtung 5 weist einen Kathodenausgang 51 auf, über welchen Reaktionsprodukte aus der Kathodeneinrichtung 5 evakuiert, d.h. abgeführt werden können. Bei den Reaktionsprodukten auf Seiten der Kathodeneinrichtung 5 handelt es sich üblicherweise um ein Gasgemisch aus Wasserdampf, Stickstoff und Sauerstoff als Hauptkomponenten.
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Wie in 1 in Verbindung mit 2 erkennbar ist, weist das Ausführungsbeispiel der Brennstoffzellenvorrichtung 2 eine erste Wasserabscheidevorrichtung 400 auf, welche der Anodeneinrichtung 4 zugeordnet ist. Die erste Wasserabscheidevorrichtung 400 weist einen ersten Gaseingang 401 auf, welcher mit dem Anodenausgang 41 fluidisch gekoppelt ist. Die erste Wasserabscheidevorrichtung 400 ist dazu ausgebildet, aus dem wasserhaltigen Gasgemisch, welches aus dem Anodenausgang 41 entweicht, Wasser abzutrennen. Während das abgetrennte, flüssige Wasser zumindest zeitweise in der ersten Wasserabscheidevorrichtung 400 verbleibt, verlassen die abgetrennten Gaskomponenten die erste Wasserabscheidevorrichtung 400 unmittelbar nach dem Trennvorgang über einen ersten Gasausgang 402. Die abgetrennten Gaskomponenten werden dann wahlweise über einen Rezirkulationspfad 20 mit einem darin angeordneten Gebläse 21 zum Eingang der Anodeneinrichtung 4 zurückgeführt oder über ein steuerbares erstes Gasventil 410 in die Umgebung abgelassen. Das in der ersten Wasserabscheidevorrichtung 400 abgeschiedene, flüssige Wasser kann von Zeit zu Zeit über einen ersten Wasserausgang 403 und ein steuerbares erstes Wasserventil 420 abgelassen werden.
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Im Ausführungsbeispiel weist die Brennstoffzellenvorrichtung 2 eine zweite Wasserabscheidevorrichtung 500 auf, welche der Kathodeneinrichtung 5 zugeordnet ist. Die zweite Wasserabscheidevorrichtung 500 weist einen zweiten Gaseingang 501 auf, welcher mit dem Kathodenausgang 51 fluidisch gekoppelt ist. Die zweite Wasserabscheidevorrichtung 500 ist dazu ausgebildet, aus dem wasserhaltigen Gasgemisch, welches aus dem Kathodenausgang 51 entweicht, Wasser abzutrennen. Während das abgetrennte, flüssige Wasser zumindest zeitweise in der zweiten Wasserabscheidevorrichtung 500 verbleibt, verlassen die abgetrennten Gaskomponenten die zweite Wasserabscheidevorrichtung 500 unmittelbar nach dem Trennvorgang über einen zweiten Gasausgang 502 in die Umgebung. Das in der zweiten Wasserabscheidevorrichtung 500 abgeschiedene, flüssige Wasser kann von Zeit zu Zeit über einen ersten Wasserausgang 503 und ein steuerbares zweites Wasserventil 520 abgelassen werden.
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Alternativ ist kann auch nur eine Wasserabscheidevorrichtung vorgesehen sein, welche entweder mit der Anodeneinrichtung 4 oder der Kathodeneinrichtung 5 zugeordnet ist.
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Wie in 2 schematisch gezeigt ist, weisen die erste Wasserabscheidevorrichtung 400 eine erste Abscheideeinrichtung 430 zum Abscheiden von Wasser aus dem aus der Anodeneinrichtung 4 abgeführten, wasserhaltigem Gasgemisch, einen ersten Behälter 440 zum Sammeln des abgeschiedenen Wassers sowie eine erste Gefrierschutzeinrichtung 4500 auf.
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Wie in 2 schematisch weiterhin gezeigt ist, weisen die zweite Wasserabscheidevorrichtung 500 gleichermaßen eine zweite Abscheideeinrichtung 530 zum Abscheiden von Wasser aus dem aus der Kathodeneinrichtung 5 abgeführten, wasserhaltigem Gasgemisch, einen zweiten Behälter 540 zum Sammeln des abgeschiedenen Wassers sowie eine zweite Gefrierschutzeinrichtung 5500 auf.
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Die erste Abscheideeinrichtung 430 und die zweite Abscheideeinrichtung 530 können beispielweise als Zyklonabscheider ausgebildet sein. Der erste Behälter 440 bzw. der zweite Behälter 540 können einstückig mit der ersten Wasserabscheidevorrichtung 400 bzw. der zweite Wasserabscheidevorrichtung 500 ausgebildet sein, oder als separate Komponenten.
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In den 3 bis 13 sind Ausführungsbeispiele der ersten Gefrierschutzeinrichtung 450 und Teile der ersten Wasserabscheidevorrichtung 400 schematisch dargestellt. Im Folgenden wird der Aufbau und die Funktionsweise nur der ersten Gefrierschutzeinrichtung 450 beschrieben. Alle Beschreibungsinhalte können jedoch in analoger Weise auf die baugleiche, zweite Gefrierschutzeinrichtung 550 übertragen werden. Die grundsätzliche Wirkungsweise und der grundsätzliche Aufbau der ersten Gefrierschutzeinrichtung 450 wird anhand der 3 und 4 beschrieben. Anhand der 5 bis 13 werden dann konkrete, konstruktive Ausführungsbeispiele beschrieben, wobei die grundsätzliche Wirkungsweise und der grundsätzliche Aufbau auch für diese Ausführungsbeispiele zutrifft.
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Zunächst wird auf die 3 und 4 Bezug genommen: Der erste Behälter 440 der ersten Wasserabscheidevorrichtung 400 weist ein erstes Sammelvolumen 441 auf, welches von einer Begrenzungswand 442 des ersten Behälters 440 begrenzt ist. In der 3 ist die erste Wasserabscheidevorrichtung 400 in einem Zustand abgebildet, in dem sich bereits Wasser 600 im ersten Sammelvolumen 441 angesammelt hat.
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In der Begrenzungswand 442 des ersten Behälters 440 ist ein Hohlraum 443 ausgebildet. Dazu ist in der Begrenzungswand 442 des ersten Behälters 440 ein Durchbruch 445 ausgebildet, welcher von der ersten Gefrierschutzeinrichtung 4500 zur Umgebung hin flüssigkeitsdicht oder gasdicht abgeschlossen ist. Die erste Gefrierschutzeinrichtung 4500 kann an der Begrenzungswand 442 des ersten Behälters 440 durch eine Schraub-, Klebe-, oder Schweißverbindung angebracht sein.
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Die erste Gefrierschutzeinrichtung 4500 weist einen Volumenausgleichskörper 4510 auf, welcher in dem Hohlraum 443 angeordnet. Der Volumenausgleichskörper 4510 ist im Hohlraum 443 entlang einer Verschiebestrecke (Doppelpfeil) verschieblich bzw. beweglich bzw. gleitend gelagert. Der Volumenausgleichskörper 4510 ist auf einer Oberflächenseite mit dem im Sammelvolumen 441 befindlichen Wasser druckkraftübertragend gekoppelt. Im Ausführungsbeispiel steht diese Oberflächenseite mit dem Wasser 600 unmittelbar in Kontakt. Auf der gegenüberliegenden Oberflächenseite ist der Volumenausgleichskörper 4510 mit einer Rückstelleinrichtung 4520 der ersten Gefrierschutzeinrichtung 4500 druckkraftübertragend gekoppelt.
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In 3 liegt das im Sammelvolumen 441 befindliche Wasser 600 in flüssiger Form vor. Der Volumenausgleichskörper 4510 befindet sich entlang der Verschiebestrecke in einer Schmelzposition. In der Schmelzposition steht der Volumenausgleichskörper 4510 in Richtung der Verschiebestrecke in einem stabilen Kräftegleichgewicht. Die auf gegenüberliegende Oberflächenseiten wirkenden Kräfte heben sich.
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Bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser kann es zu einer Vereisung des Wassers 600 im Sammelvolumen 441 kommen, insbesondere dann, wenn die Brennstoffzelle 3 längere Zeit nicht betrieben wird. Eis hat ein um ca. 9% größeres, spezifisches Volumen als flüssiges Wasser. Bei Gefrieren des Wassers 600 im ersten Sammelvolumen 441 kommt es zu einer Druckkrafterhöhung auf der dem ersten Sammelvolumen 441 zugewandten Oberflächenseite des Volumenausgleichskörpers 4510. Dieses temporäre Druckkraftungleichgewicht führt zu einer Verschiebung bzw. Bewegung des Volumenausgleichskörpers 4510 von der Schmelzposition (3) entlang der Verschiebestrecke in eine Gefrierposition (4) unter Vergrößerung des Sammelvolumens 441.
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In 4 ist das im Sammelvolumen 441 befindliche Wasser vollständig zu Eis 700 gefroren. Der Volumenausgleichskörper 4510 befindet sich entlang der Verschiebestrecke (Doppelpfeil) in der Gefrierposition. In der Gefrierposition steht der Volumenausgleichskörper 4510 in Richtung der Verschiebestrecke wieder in einem stabilen Kräftegleichgewicht. Die Druckkräfte auf gegenüberliegenden Oberflächenseiten heben sich auf. Die Volumenexpansion durch Vereisung des Wassers ist abgeschlossen. Das Sammelvolumen 441 in 4 ist entsprechend größer als das Sammelvolumen in 3.
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Die Rückstelleinrichtung 4520 ist dazu ausgebildet, auf den Volumenausgleichskörper 4510 eine in Richtung der Schmelzposition gerichteten Rückstellkraft auszuüben. Zu diesem Zweck weist die Rückstelleinrichtung 4520 eine Kopplungseinrichtung bzw. ein Kopplungselement 4521 auf, mittels dem sie mit dem Volumenausgleichskörper 4510 druckkraftübertragend gekoppelt ist.
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Die Rückstelleinrichtung 4520 kann so ausgebildet sein, dass die Rückstellkraft einer Progression unterliegt, je weiter sich der Volumenausgleichskörper 4510 von der Schmelzposition in die Gefrierposition bewegt. Die Bewegung des Volumenausgleichskörpers 4510 von der Schmelzposition in Richtung der Gefrierposition erfolgt also unter Vergrößerung des Sammelvolumens 441 und unter Verstärkung der Rückstellkraft.
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Schmilzt nun das Eis 700 im Sammelvolumen 441 so nimmt das entstehende Wasser 600 ein kleineres Volumen ein als das Eis 700. Die Druckkraft auf der dem Sammelvolumen 441 zugewandten Oberflächenseite des Volumenausgleichskörpers 4510 nimmt ab und ist nun geringer als die von der Rückstelleinrichtung 4520 auf den Volumenausgleichskörper 4510 ausgeübte Rückstellkraft. Durch dieses Kräfteungleichgewicht bewegt sich der Volumenausgleichskörpers 4510 in Richtung der Schmelzposition (3) bis wieder Kräftegleichgewicht herrscht. Die Bewegung des Volumenausgleichskörpers 4510 von der Gefrierposition in Richtung der Schmelzposition erfolgt also unter Verringerung des Sammelvolumens 441 und unter Abschwächung der Rückstellkraft.
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Die erste Gefrierschutzeinrichtung 4500 ermöglicht die bedarfsweise Anpassung des ersten Sammelvolumens 441 in Abhängigkeit vom Aggregatzustand des darin enthaltenen Wassers. Im Falle der Vereisung des im ersten Sammelvolumen 451 enthaltenen Wassers bewirkt die erste Gefrierschutzeinrichtung 4500 eine Vergrößerung des ersten Sammelvolumens 441, wodurch sich das entstehenden Eis entsprechend seines größeren spezifischen Volumens ausreichend ausdehnen kann, ohne dass zu große Druckkräfte entstehen, welche zu einer Beschädigung der ersten Wasserabscheidevorrichtung 400 bzw. des ersten Behälters 440 führen können. Die erste Gefrierschutzeinrichtung 4500 ist derart ausgebildet, dass die bei einer Vereisung des Wassers stattfindende, natürliche volumetrische Ausdehnung durch die Vergrößerung des ersten Sammelvolumens 441 soweit kompensiert wird, dass zu hohe Druckkräfte und eine Beschädigung der ersten Wasserabscheidevorrichtung 400 vermieden werden. So ermöglicht die Gefrierschutzeinrichtung 4500 eine Vergrößerung des Sammelvolumens 441 im Falle der Vereisung des Wassers um ca. 9% bis 16%. Wenn sich also der Volumenausgleichskörper 4510 in der Gefrierposition befindet, so ist das Sammelvolumen beispielsweise um ca. 9% bis 16% größer, als wenn sich der Volumenausgleichskörper 4510 in der Schmelzposition befindet.
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Anhand der 5 bis 14 werden nun vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Gefrierschutzeinrichtung 4500 beschrieben. Dabei werden nur die konstruktiven Aspekte und Wirkungsweisen beschrieben, die über die Beschreibungsinhalte zu den 3 und 4 hinausgehen, wobei diese weiterhin Gültigkeit haben.
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In den 5 und 6 weist der Volumenausgleichskörper 4510 einen plattenförmigen Abschnitt 4510a und einen im Querschnitt dünneren, zylinderförmigen Abschnitt 4510b auf. Mit dem zylinderförmigen Abschnitt 4510b dringt der Volumenausgleichskörper 4510 von außen in den Durchbruch 445 des ersten Behälters 440 ein. Mit dem plattenförmigen Abschnitt 4510a verbleibt der Volumenausgleichskörper 4510 außerhalb des Behälters 440 und steht in der Schmelzposition an der Begrenzungswand 444 an. Der Volumenausgleichskörper 4510 ist an seinem plattenförmigen Abschnitt 451 0a an zwei Schraubbolzen 4523, welche an der Behälterwand 444 befestigt sind, gleitend gelagert. Im Ausführungsbeispiel der 5 und 6 weist die Rückstelleinrichtung 4520 die beiden Schraubbolzen 4523 und als Kopplungselemente 4521 zwei mechanische Federn auf, welche über die Schäfte der Schraubbolzen 4523 gestülpt sind. Die mechanischen Federn 4521 können als Schraubenfedern oder Tellerfedern aus Metall oder Kunststoff ausgebildet sein. Die mechanischen Federn stützen sich an einem Ihrer Enden an den Köpfen der Schraubbolzen und an ihren anderen Enden am plattenförmigen Abschnitt 4510a des Volumenausgleichskörpers 4510 ab. Damit ist zwischen der Volumenausgleichskörper 4510 elastisch und kraftübertragend mit der Rückstelleinrichtung 4520 gekoppelt, wobei bei einer Bewegung des Volumenausgleichskörpers 4510 in Richtung der Gefrierposition die Rückstellkraft zunimmt (mechanische Federn werden komprimiert) und in der entgegengesetzten Bewegungsrichtung abnimmt. Die Köpfe der Schraubbolzen 4523 wirken als mechanische Anschläge und begrenzen den Bewegungshub des Volumenausgleichskörpers 4510.
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In 5 liegt das im Sammelvolumen 441 befindliche Wasser in flüssiger Form vor. Der Volumenausgleichskörpers 4510 befindet sich der Schmelzposition. Die mechanischen Federn 4521 sind entspannt oder nur geringfügig komprimiert. Gefriert nun das Wasser 600 im Sammelvolumen, so kommt es aufgrund der volumetrischen Expansion zu einer Verschiebung des Volumenausgleichskörpers 4510 in Richtung der Gefrierposition unter Vergrößerung des Sammelvolumens. Der Volumenausgleichskörper 4510 gleitet unter Kompression der mechanischen Federn 4521 in Richtung der Köpfe der Schraubbolzen 4523. In 6 ist das im Sammelvolumen 441 befindliche Wasser 600 vollständig gefroren. Der Volumenausgleichskörper 4510 befindet sich der Gefrierposition. Die mechanischen Federn 4521 sind stark komprimiert und erzeugen eine Rückstellkraft, die den Volumenausgleichskörper 4510 in die Schmelzposition drängt. Sobald das im Sammelvolumen 441 befindliche Wasser unter Volumenverkleinerung wieder schmilzt, drängen die mechanischen Federn 4521 den Volumenausgleichskörper 4510 zurück in die Schmelzposition.
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Das Ausführungsbeispiel der 7 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 5 und 6 lediglich dadurch, dass zwei hülsenförmige Elastomere als Kopplungselemente 4521 vorgesehen sind, welche ebenfalls als Federn fungieren.
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Im Ausführungsbeispiel der 8 weist die Rückstelleinrichtung 4520 einen starren, doppelt gebogenen Stab 4525 auf, welcher mittels eines Schraubbolzens 4523 am ersten Behälter 440 befestigt ist. Die Rückstelleinrichtung 4520 weist ferner als Kopplungselement 4521 eine mechanische Feder (Schraubfeder, Tellerfeder, Elastomerfeder etc) auf, welche sich an gegenüberliegenden Enden am Volumenausgleichskörper 4510 und am gebogenen Stab abstützt. Im Ausführungsbeispiel der 8 liegt das im Sammelvolumen 441 befindliche Wasser 600 in flüssiger Form vor. Die Funktionsweise dieser Ausführungsform funktioniert analog zum Ausführungsbeispiel der 5 bis 7. Auf eine ausführliche Beschreibung wird daher verzichtet.
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Im Ausführungsbeispiel der 9 weist die Rückstelleinrichtung 4520 eine starre Abdeckplatte 4522 auf, welche mittels zweier Schraubbolzens 4523 am Behälter 440 befestigt ist und den Durchbruch 445 nach außen verschließt. Die Rückstelleinrichtung 4520 weist ferner als Kopplungselement 4521 eine mechanische Feder 4524 (Schraubenfeder, Tellerfeder, Elastomerfeder etc) auf, welche sich an gegenüberliegenden Enden am Volumenausgleichskörper 4510 und an der Abdeckplatte 4522 abstützt. Im Ausführungsbeispiel der 9 liegt das im Sammelvolumen 441 befindliche Wasser 600 in flüssiger Form vor. Die Funktionsweise dieser Ausführungsform funktioniert analog zum Ausführungsbeispiel der 5 bis 8. Auf eine ausführliche Beschreibung wird daher verzichtet.
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Das Ausführungsbeispiel im 10 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel der 9 lediglich dadurch, dass das Kopplungselement 4521 als eine Gasdruckfeder ausgebildet ist. Ansonsten entspricht das Ausführungsbeispiel der 7 konstruktiv und funktional dem Ausführungsbeispiel der 9.
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Im Ausführungsbeispiel der 11 weist die Rückstelleinrichtung 4520 eine starre Abdeckhaube 4522 auf, welche mittels zweier Schraubbolzens 4523 am Behälter 440 befestigt ist und Durchbruch 445 nach außen verschließt. Die Rückstelleinrichtung 4520 weist als Kopplungselement 4521 eine mechanische Feder (Schraubfeder, Tellerfeder, mechanischen Feder etc) auf, welche sich an gegenüberliegenden Enden am Volumenausgleichskörper 4510 und an der Abdeckhaube 4522 abstützt. Im Ausführungsbeispiel der 11 liegt das im Sammelvolumen 441 befindliche Wasser 600 in flüssiger Form vor. Die Funktionsweise dieser Ausführungsform funktioniert analog zum Ausführungsbeispiel der 5 bis 10. Auf eine ausführliche Beschreibung wird daher verzichtet.
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Im Ausführungsbeispiel der 12 weist die Rückstelleinrichtung 4520 als Kopplungselement 4521 einen biegeelastischen Stab auf, welche mittels eines Schraubbolzens 4523 an dem Behälter 440 angeschraubt ist. Das andere Ende ist frei drehbar um die Anschraubstelle als Drehmittelpunkt und mit dem Volumenausgleichskörper 4510 kraftübertragend gekoppelt. In der Gefrierposition des Volumenausgleichkörpers 4510 ist der Stab 4521 erheblich stärker gebogen und übt dadurch eine erheblich stärkere Rückstellkraft auf den Volumenausgleichkörpers 4510 aus als in der Schmelzposition.
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Beim Ausführungsbeispiel der 13 umfasst die Gefrierschutzeinrichtung 4500 eine Sensoreinrichtung 4530 zur Erfassung eines Werts im Sammelvolumen 441 auf, z.B. Temperatur des Wassers. Der Sensor durchdringt den Volumenausgleichkörpers 4510. Auf seinem dem Sammelvolumen 441 zugewandten Ende ist ein Fühler 4531 zur Erfassung des Werts im Sammelvolumen 441 ausgebildet. Auf der Außenseite ist führt eine Datenleitung 4532 ab, z.B. zur Steuervorrichtung 1!
