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Die Erfindung betrifft einen Wasserabscheider zum Abscheiden von flüssigem Wasser aus einem mit dem flüssigen Wasser beladenen Gasstrom, aufweisend
- - einen Innenraum, welcher durch Innenwandungen nach außen begrenzt ist,
- - eine Gaseinlassöffnung, durch welche ein Gasstrom von außen in den Innenraum hinein einleitbar ist, und
- - eine Gasauslassöffnung, durch welche der Gasstrom aus dem Innenraum heraus ausleitbar ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellen-Anlage, aufweisend
- - eine Brennstoffzelle, und
- - eine Gasrezirkulationsleitung, durch welche hindurch ein Gasstrom der Brennstoffzellen-Anlage zu der Brennstoffzelle hin förderbar ist.
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Zudem betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer solchen Brennstoffzellen-Anlage.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennstoffzellen-Anlage oder der Brennstoffzellen-Anlage des Fahrzeugs.
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Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung von offenzelligem Polymer-Schaumstoff als Füllkörper in einem solchen Wasserabscheider, in einer solchen Brennstoffzellen-Anlage, in einer Brennstoffzellen-Anlage eines solchen Fahrzeugs oder in dem Verfahren.
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Bei Brennstoffzellen-Anlagen kommen besagte Wasserabscheider zum Einsatz, um aus Gasströmen in der Brennstoffzellen-Anlage flüssiges Wasser abzuscheiden und nach Möglichkeit lediglich gasförmige Komponenten für den eigentlichen Brennstoffzellenprozess der Brennstoffzelle bereitzustellen. Dies betrifft insbesondere das der Anode der zugehörigen Brennstoffzelle im Betrieb meist kontinuierlich zugeführte Anodenfrischgas, welches ein zu oxidierendes Gas mit gebundener chemischer Energie ist, beispielsweise Wasserstoffgas. Ebenso kann dies auch das der Kathode zugeführte Kathodenfrischgas betreffen, welches z.B. Sauerstoffgas für ein Oxidieren von Komponenten des Anodenfrischgases ist oder aufweist. Das Freihalten der Brennstoffzelle, insbesondere einer protonenleitenden Membran, von flüssigem Wasser ist für einen guten Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und somit der Brennstoffzellen-Anlage häufig angestrebt. Daher soll nach Möglichkeit vermieden werden, dass in den Anodengasraum und/oder in den Kathodengasraum überhaupt Wasser in flüssiger Form, insbesondere als Wassertropfen, mit dem Gasstrom in den Anodengasraum und/oder den Kathodengasraum eingebracht wird. Zugleich ist aber dennoch ein feuchtes Milieu mit gasförmigem Wasser als Komponente des Anodenfrischgases und/oder des Kathodenfrischgases angestrebt, beispielsweise da dies bei vielen Varianten von Brennstoffzellen-Anlagen einen vorteilhaften Beitrag zur Protonenleitfähigkeit der Membran der Brennstoffzelle mit sich bringt. Problematisch ist gerade bei Wasserstoff-Brennstoffzellen, dass Wasser als Reaktionsprodukt fortwährend anfällt und fortwährend abgeschieden werden muss.
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Um das Anodenfrischgas und/oder das Kathodenfrischgas von flüssigem Wasser zu befreien, mit dem der entsprechende Gasstrom beladen ist, insbesondere in Form feiner Tropfen, werden daher oft Wasserabscheider eingesetzt, die mit mechanischen Abscheidemechanismen flüssige Wassertropfen, mit denen ein Gasstrom beladen ist, abscheiden, hingegen gasförmigen Wasserdampf nicht, z.B. chemisch, binden, sondern diesen im betreffenden Gasstrom belassen.
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Im Stand der Technik ist beispielsweise bekannt, zum Abscheiden von flüssigem Wasser aus einem mit dem flüssigen Wasser beladenen Gasstrom einen Zyklonabscheider zu verwenden. Ein solcher kann bei einer Brennstoffzellen-Anlage in eine Gasrezirkulationsleitung, beispielsweise eine Anodengasrezirkulationsleitung oder eine Kathodengasrezirkulationsleitung eingeschleift sein, um etwaig vorhandene Wassertropfen aus dem Gasstrom abzutrennen und ein tropfenfreies Anodenfrischgas oder Kathodenfrischgas der Kathode oder der Anode zuzuführen.
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Nachteilig ist dabei, dass ein solcher Wasserabscheider eine zusätzliche bauliche Komponente in einer Brennstoffzellen-Anlage und somit in einem Fahrzeug mit einer solchen Brennstoffzellen-Anlage darstellt, was deren Herstellungskosten steigert, Defektanfälligkeit und Wartungsbedarf mit sich bringt und die Betriebspunkte der Brennstoffzellen-Anlage auf Bereiche einschränkt, die mit der Funktionalität des zugehörigen Wasserabscheiders, insbesondere seinen möglichen Arbeitspunkten, vereinbar sind. Nachteilig sind auch Druckverluste, die beim Durchströmen des Wasserabscheiders über diesem fluiddynamisch entstehen. Zudem ist das Abschalten und Inbetriebnehmen eines Wasserabscheiders und einer Brennstoffzellen-Anlage sowie somit auch eines dies beinhaltenden Fahrzeugs fehleranfällig, da je nach Umgebung auch ein Vereisen des Abscheiders und damit Funktionsbeeinträchtigungen einhergehen können.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit bisherigen Wasserabscheidern vorliegenden Nachteile abzumildern oder zu beseitigen, insbesondere die Vielfalt der Einsatzmodalitäten für einen Wasserabscheider, die Brennstoffzellen-Anlage und ein damit ausgerüstetes Fahrzeug zu verbessern.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einem Wasserabscheider der eingangs genannten Art der Wasserabscheider einen innerhalb des Innenraums angeordneten Füllkörper aufweist, welcher offenzelligen Polymer-Schaumstoff zum Abscheiden von flüssigem Wasser aus dem einleitbaren Gasstrom aufweist.
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Der mit flüssigem Wasser, insbesondere in Form von Wassertropfen, beladene Gasstrom ist durch den Einsatz des Polymer-Schaumstoffs an flüssigem Wasser abreicherbar. Dass der Gasstrom mit flüssigem Wasser beladenen ist, bedeutet, dass insbesondere derart feine Tropfen in dem Gasstrom vorliegen, dass diese von der Strömung des Gasstroms mitgeführt werden können.
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Abscheiden des flüssigen Wassers aus dem mit dem flüssigen Wasser beladenen Gasstrom bedeutet, dass die feinen Tropfen aus dem Gasstrom entfernt werden und der Gasstrom nach dem Abscheiden vollständig oder nahezu vollständig ohne die feinen Tropfen vorliegt.
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Hierzu weist der Wasserabscheider den Innenraum auf, welcher durch Innenwandungen nach außen begrenzt ist. Der Innenraum ist dazu eingerichtet, dass in ihm das Abscheiden bewerkstelligbar ist. Der Wasserabscheider weist eine Gaseinlassöffnung auf, durch welche der mit dem flüssigen Wasser wasserbeladene Gasstrom in den Innenraum hinein einleitbar ist. Außerdem weist der Wasserabscheider eine Gasauslassöffnung auf, durch welche der Gasstrom, aus welchem das flüssige Wasser abgeschieden ist, aus dem Innenraum heraus ausleitbar ist. Die Gaseinlassöffnung ist zum Verbinden mit einer Gaszuführleitung eingerichtet, beispielsweise weist sie ein Gewinde oder einen Verbindungflansch hierfür auf. Die Gasauslassöffnung ist zum Verbinden mit einer Gasabführleitung eingerichtet, beispielsweise weist sie ein Gewinde oder einen Verbindungflansch hierfür auf. Durch die Gaseinlassöffnung ist ein mit dem flüssigen Wasser beladener Gasstrom somit in den Innenraum hineinleitbar, durch den Innenraum hindurchführbar und um das flüssige Wasser abgereichert durch die Gasauslassöffnung aus dem Innenraum heraus leitbar.
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Weiterhin weist der Wasserabscheider einen Wasserauslass auf, mittels welchem abgeschiedenes Wasser aus dem Innenraum ableitbar ist. Der Wasserauslass ist dazu an dem tiefstgelegenen Bereich des Innenraums, welcher einen Auffangbereich in Form einer Senke zum Sammeln des aus dem Gasstrom abgeschiedenen Wassers darstellt, angeordnet oder ausgebildet. Der Wasserauslass weist beispielsweise ein Ventil, z.B. einem Magnetventil, auf, mittels welchem in dem Auffangbereich angesammeltes abgeschiedenes Wasser aus dem Innenraum herausleitbar ist. Dies kann z.B. geschehen, indem für einen Ablassvorgang des Wassers mittels öffnenden Betätigens des Magnetventils eine flüssigkeitsführende Verbindung aus dem Auffangbereich zu der Umgebung oder zu einer Sammeleinrichtung herstellt wird. Nach Beenden des Ablassvorgangs wird die flüssigkeitsführende Verbindung durch Schließen des Magnetventils unterbrochen, so dass kein Fluid durch den Wasserauslass aus dem Innenraum austritt.
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In dem Innenraum des Wasserabscheiders ist ein Füllkörper angeordnet. Der Füllkörper füllt somit das Volumen des Innenraums ganz oder teilweise aus. Der Füllkörper ist hierbei nicht notwendigerweise einstückig ausgebildet, sondern kann ebenfalls mehrstückig ausgebildet sein, insbesondere kann der Füllkörper aus mehreren Segmenten zusammengesetzt sein. Der Füllkörper weist offenzelligen Polymer-Schaumstoff auf, welcher zum Abscheiden von flüssigem Wasser aus dem einleitbaren Gasstrom eingerichtet ist.
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Der offenzellige Polymer-Schaumstoff ist dadurch zum Abscheiden von flüssigem Wasser aus dem einleitbaren Gasstrom eingerichtet, dass er eine Vielzahl von Poren aufweist, welche miteinander strömungsmechanisch derart verbunden sind, dass der einleitbare Gasstrom durch den Füllkörper, insbesondere den Polymer-Schaumstoff, hindurchführbar ist. Dies ist dadurch möglich, dass der Polymer-Schaumstoff eine offenzellige Polymerstruktur aufweist, welche ein zusammenhängendes Netzwerk aus Polymerstegen darstellt. Die Vielzahl von Poren wird hierbei durch die Kunststoffstege getrennt bzw. von diesen umgeben.
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Der offenzellige Polymer-Schaumstoff ist weiterhin dadurch zum Abscheiden von flüssigem Wasser aus dem einleitbaren Gasstrom eingerichtet, dass das zusammenhängende Netzwerk aus Polymerstegen dazu eingerichtet ist, das Wasser, mit welchem der Gasstrom beladen ist, bezogen auf die Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms abzubremsen. Hierdurch sind insbesondere feine Tropfen, welche auf die Polymerstege des Polymer-Schaumstoffs auftreffen, in Bezug auf die Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms abbremsbar. Hierdurch ist das flüssige Wasser, insbesondere feine Tropfen, in dem Netzwerk aus Polymerstegen auffangbar. Mit fortschreitendem Abscheiden feiner Tropfen aus dem Gasstrom ist das an den Polymerstegen anhaftende flüssige Wasser koagulierbar und als größere Tropfen innerhalb des Netzwerks aus Polymerstegen entlang dieses Netzwerks führbar und in Schwerkraftrichtung aus dem Polymer-Schaumstoff herausleitbar. Soweit dies in Verfahrenshinsicht stattfindet, handelt es sich um ein selbsttätiges Heraussickern des abgeschiedenen flüssigen Wassers aus dem Füllkörper.
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Eine besonders gute Durchlässigkeit für den Gasstrom ist dadurch erreichbar, dass die Offenzelligkeit des Polymer-Schaumstoffs des Füllkörpers mittels Retikulieren hergestellt ist. Hierdurch werden besonders schmale Kunststoffstege als Komponenten des zusammenhängenden Netzwerks des Polymer-Schaumstoffs erzielt. Somit stehen für vorteilhafterweise geringe Druckverluste große durchströmbare Querschnittsflächen für die Gasströmung innerhalb des offenzelligen Polymer-Schaumstoffs zur Verfügung.
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Das abscheidbare flüssige Wasser, welches aus dem Füllkörper mittels Schwerkraft im Betrieb des Wasserabscheiders herausleitbar ist, ist in einen Auffangbereich für flüssiges Wasser leitbar und dort sammelbar. Der Auffangbereich ist in Bezug auf das Schwerefeld an einem tief liegenden Ort innerhalb des Innenraums des Wasserabscheiders oder außerhalb des Innenraums angeordnet. Aus dem Auffangbereich ist sich sammelndes flüssiges Wasser mittels einer öffenbaren und schließbaren Ablassleitung ablassbar, beispielsweise bei Überschreiten eines bestimmten Wasserpegels in dem Auffangbereich.
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Das erfindungsgemäße Abscheiden von flüssigem Wasser, insbesondere von flüssigen Wassertropfen, mittels des Füllkörpers hat gegenüber Varianten der Abscheidung ohne einen solchen Füllkörper den Vorteil, dass ein besonders breiteres Spektrum an Arbeitspunkten, insbesondere an Volumenströmen des Gasstroms mit besonders hohen Abscheiden raten vereinbar sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die mechanische Abscheidung von flüssigem Wasser aus dem Gasstrom mit dem erfindungsgemäßen Füllkörper weniger Randbedingungen bei der konstruktiven Gestaltung des Wasserabscheiders mit sich bringt, als dies bei Wasserabscheidern der Fall ist, die eine bestimmte definierte Strömungsführung innerhalb des Innenraums erfordern, beispielsweise bei Zyklonen oder Wasserabscheidern, die den Gasstrom im Innenraum über Prallplatten ablenken. Somit eröffnet die Erfindung einer eine besonders flexible Gestaltung des Wasserabscheiders und eine besonders einfache Anpassung und Integration in Brennstoffzellen-Anlagen, insbesondere in Fahrzeugen.
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Ein weiterer Vorteil besteht in der Tauglichkeit des erfindungsgemäßen Wasserabscheiders, auch bei tiefen Temperaturen, insbesondere unterhalb des Gefrierpunkts, eine gute Abscheideleistung zu gewährleisten. Überraschend haben Experimente ergeben, dass auch ein Wasserabscheider, dessen Füllkörper mit an den Polymerstegen anhaftendem Wasser eingefroren wurde, noch eine sehr gute Abscheideleistung beim Abscheiden von flüssigen Wasser aus einem mit diesem beladenen Gasstrom aufweist. Hierdurch erweist sich der erfindungsgemäße Wasserabscheider überraschend als tauglich auch für Anwendungen, bei denen anfallendes oder abgeschiedenes Wasser in dem Wasserabscheider anwendungsbedingt gefrieren kann, beispielsweise in Fahrzeugen.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Brennstoffzellen-Anlage der eingangs genannten Art, die einen solchen Wasserabscheider oder einen Wasserabscheider gemäß einer oder mehrerer nachfolgend genannter Weiterbildungen aufweist. Die Brennstoffzellen-Anlage weist eine Brennstoffzelle auf. Weiterhin weist die Brennstoffzellen-Anlage eine Gasrezirkulationsleitung auf. Durch die Gasrezirkulationsleitung hindurch ist ein Gasstrom der Brennstoffzellen-Anlage zu der Brennstoffzelle hin förderbar. Der in der Gasrezirkulationsleitung führbare Gasstrom ist dabei aus der Brennstoffzelle herausführbar und mit zusätzlichem Frischgas anreicherbar, bevor der Gasstrom zu der Brennstoffzelle zurückführbar und einleitbar ist. Die Gasrezirkulationsleitung kann dabei je nach Ausgestaltung der Brennstoffzellen-Anlage das Anodengas oder das Kathodengas der Brennstoffzelle rezirkulieren.
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Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein Fahrzeug mit der Brennstoffzellen-Anlage. Das Fahrzeug kann ein Landfahrzeug, Wasserfahrzeug oder Luftfahrzeug sein. Hierbei sind Varianten umfasst, bei denen die Brennstoffzellen-Anlage zum Bereitstellen der Antriebsenergie dient, ebenso wie Varianten, bei denen die Brennstoffzellen-Anlage andere als Antriebsenergie bereitstellt. Insbesondere die überraschende Eignung des erfindungsgemäßen Wasserabscheiders, auch bei in dem Füllkörper gefrorenem Wasser eine immer noch gute Abscheideleistung zu erlauben, macht das erfindungsgemäße Fahrzeug vielfältig und zuverlässig einsetzbar. Insbesondere ergibt sich der erfindungsgemäße unerwartete Vorteil, dass das Fahrzeug auch in extrem kalter Umgebung außer Betrieb genommen werden kann, wobei in der Gasrezirkulationsleitung enthaltenes Wasser in dem Füllkörper des Wasserabscheiders durchaus gefrieren kann, ohne hierdurch das erneute Inbetriebnehmen durch Funktionsmängel der Abscheidewirkung oder durch zu große Druckverluste an dem Wasserabscheider zu verunmöglichen. Somit ist auch nach der Außerbetriebnahme unter ungünstigen Bedingungen, insbesondere mit Einfrieren von flüssigem Wasser in dem Füllkörper, ein Kaltstart ohne aufwendige vorab durchzuführende Vorwärmmaßnahmen des Wasserabscheiders möglich. Hierdurch wird die Zuverlässigkeit des Fahrzeugs insgesamt verbessert.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer vorgenannten Brennstoffzellen-Anlage, insbesondere einer Brennstoffzellen-Anlage des Fahrzeugs. Bei dem Betreiben der Brennstoffzellenanlage werden einige oder mehrere der vorgenannten baulich gegebenen Benutzungsmöglichkeiten in Verfahrenshinsicht verwirklicht. So wird bei dem Verfahren zum Betreiben ein Gasstrom durch die Gaseinlassöffnung in den Innenraum des Wasserabscheiders hinein eingeleitet. Innerhalb des Innenraums strömt der Gasstrom durch den Füllkörper hindurch, sodass flüssiges Wasser, insbesondere Tropfen, mit welchen der Gasstrom beim Einleiten beladen ist, abgeschieden wird. Das abgeschiedene Wasser sammelt sich in dem Auffangbereich und wird in kurzen Entleerungssequenzen mittels der Ablassleitung abgelassen.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch die Verwendung von offenzelligem Polymer-Schaumstoff als Füllkörper in dem Wasserabscheider, in der Brennstoffzellen-Anlage, insbesondere in einer Brennstoffzellen-Anlage eines Fahrzeugs oder in dem Verfahren. Hierdurch wird ein besonders breites Spektrum an Betriebspunkten sowie eine besondere Flexibilität für die jeweilige bauliche Umsetzung geschaffen, wobei überraschend auch ohne konstruktiv aufwendige Vorwärmmaßnahmen jeweils ein Start bei tiefen Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen unterhalb von 0 °C, zuverlässig möglich ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wasserabscheider zum Abscheiden von flüssigem Wasser aus einem mit dem flüssigen Wasser beladenen Gasstrom einer Brennstoffzellen-Anlage eingerichtet ist. Der Wasserabscheider ist hierzu beispielsweise in der Wahl seines Materials oder seiner Materialien und seiner Dimensionierung an die Anforderungen einer Brennstoffzellen-Anlage angepasst. Hierdurch kommen die vorgenannten Vorteile des Wasserabscheiders bei einer Brennstoffzellen-Anlage spezifisch besonders zum Tragen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Füllkörper fluiddynamisch derart zwischen der Gaseinlassöffnung und der Gasauslassöffnung angeordnet ist, dass der vollständige Gasstrom durch den Füllkörper hindurchleitbar ist. Dies hat den Vorteil, dass Kurzschlussströmungen zwischen der Gaseinlassöffnung und der Gasauslassöffnung vermieden werden. Hierdurch wird ein besonders guter Abscheidegrad beim Abscheiden des flüssigen Wassers aus dem Gasstrom erreicht. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, dass der Füllkörper sich bis an die Gaseinlassöffnung und/oder bis an die Gasauslassöffnung erstreckt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Polymer-Schaumstoff einen Polyether-Schaumstoff aufweist oder aus diesem besteht. Alternativ ist möglich, dass der Polymer-Schaumstoff einen Polyester-Schaumstoff aufweist oder aus diesem besteht. Auch sind Kombinationen möglich, beispielsweise solche, bei denen der Füllkörper mehrere Segmente aufweist, die jeweils einen Polyether-Schaumstoff oder einen Polyester-Schaumstoff aufweisen.
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Dies hat den Vorteil einer besonders langen Lebensdauer des Wasserabscheiders, geringem Wartungsbedarf der Brennstoffzellen-Anlage und besondere Zuverlässigkeit des Fahrzeugs.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Polymer-Schaumstoff eine Porenweite zwischen 0,2 und 2,5 mm aufweist oder eine Zellenzahl zwischen 2 und 5,2 Poren pro Zentimeter, insbesondere eine Zellenzahl zwischen 2 und 3,2 Poren oder zwischen 3,3 und 5,2 Poren pro Zentimeter aufweist. Insbesondere ist möglich, dass der Polymer-Schaumstoff eine Zellenzahl von 10 ppi oder 5 ppi aufweist. Die vorgenannte Einheit „ppi“ ist eine dem Fachmann auf dem Gebiet der Schaumstofftechnik geläufige Einheit für die Zellenzahl.
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Derartige Porenweiten bzw. derartige Zellendichten haben sich in Versuchen als besonders vorteilhaft für eine gute Abscheidewirkung, insbesondere für einen hohen Abscheidegrad, bei gleichzeitig niedrigem Strömungswiderstand, welcher den Gasstrom entgegengesetzt wird, erwiesen. Ebenfalls haben Versuche ergeben, dass auch bei einem Einfrieren eines Füllkörpers mit derartigen Porenweiten bzw. deartigen Zellenzahlen in einem mit Wasser gesättigten Zustand, d. h. wenn die maximale entgegen der Schwerkraft von dem Polymer-Schaumstoff bindbare Menge Wasser in dem Füllkörper gebunden ist, immer noch einen Kaltstart des Wasserabscheider das bzw. der Brennstoffzellen-Anlage ermöglicht.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Füllkörper einen Anteil des Innenraumvolumens des Innenraums von wenigstens 50 %, insbesondere von wenigstens 75%, weiter insbesondere von wenigstens 90 % ausfüllt. Dies hat den Vorteil, dass eine besonders gute Abscheidung des flüssigen Wassers aus dem Gasstrom bewerkstelligt werden kann, insbesondere ein hoher Abscheidegrad erzielbar ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein großenteils mit dem Füllkörper ausgefüllter Innenraum einen Schutz dagegen bietet, dass aus dem Auffangbereich flüssiges Wasser derart in den Innenraum hinein nach oben geschleudert wird, welches aus dem Innenraum durch die Gasauslassöffnung hinaus gelangen kann. Der Füllkörper erfüllt insofern die Funktion eines Strombrechers, um ein Hochschwappen von flüssigem Wasser aus dem Auffangbereich zu vermeiden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wasserabscheider einen Gehäusekörper aufweist, welcher einen Teil der Innenwandungen oder alle Innenwandungen aufweist. Der Gehäusekörper verleiht dem Wasserabscheider seine Geometrie und seine mechanische Festigkeit. Insbesondere ist der Wasserabscheider als eine separate Baugruppe oder ein separates Bauteil ausgebildet. Dies erlaubt eine einfache und kostengünstige Wartung eines Fahrzeugs bzw. einer Brennstoffzellen-Anlage mit einem derartigen Wasserabscheider.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Füllkörper an den Innenwandungen anliegt. Dies hat den Vorteil, dass Kurzschlussströmungen um den Füllkörper herum reduziert oder vermieden werden können. Dies führt wiederum zu einem besonders guten Abscheidegrad für das Abscheiden des flüssigen Wassers aus dem Gasstrom.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wasserabscheider ein Zyklon ist, insbesondere der Gehäusekörper ein Zyklongehäuse ist. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass beispielsweise auch bestehende Brennstoffzellen-Anlagen mit einem Zyklon als Wasserabscheider, auf einfache und kostengünstige Weise durch Ergänzen eines erfindungsgemäßen Füllkörpers mit den einhergehenden erfindungsgemäßen Vorteilen versehen werden können.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wasserabscheider, insbesondere der Gehäusekörper eine im Wesentlichen quaderförmige oder zylindrische Geometrie aufweist. Ein Vorteil ist, dass ein Gehäusekörper mit diesen Geometrien auf einfache und kostengünstige Weise herstellbar ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass hierdurch auch der jeweils zugehörige Innenraum im wesentlichen Quader förmige oder zylindrisch ausgebildet sein kann. Dies wiederum hat den Vorteil, dass der jeweils zugehörige erfindungsgemäße Füllkörper auf einfache und kostengünstige Weise herstellbar ist, beispielsweise mittels Ausschneiden aus kostengünstig käuflich erwerbbaren vorbereiteten Elementen aus dem Polymer-Schaumstoff.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wasserabscheider, insbesondere der Gehäusekörper, in Integralbauweise ausgebildet ist, insbesondere zweistückig oder einstückig ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil einer geringen Anfälligkeit für Undichtigkeiten des Wasserabscheiders sowie einer besonders guten Stabilität. Auch kommt die elastische Verformbarkeit des Füllkörpers vorteilhaft bei dieser Weiterbildung zum Tragen insofern, als auch Hinterschneidungen bei Geometrien in Integralbauweise der Montierbarkeit des elastischen Füllkörpers bis zu einem gewissen Grad nicht entgegenstehen. So ist beispielsweise möglich, zum Montieren des Füllkörpers diesen zusammenzudrücken, durch kleine Öffnungen in einen Gehäusekörper einzubringen und den Füllkörper anschließend wieder dessen ursprüngliche Geometrie durch elastisches Entspannen annehmen zu lassen. Hierdurch sind besonders fehlerunanfällige, insbesondere stabile und zuverlässig gasdichte Wasserabscheider bereitstellbar und die Zuverlässigkeit der Brennstoffzellen-Anlage und des Fahrzeugs verbesserbar.
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In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst dieses weiterhin die folgenden Verfahrensschritte:
- a) Abschalten der sich in Betrieb befindenden Brennstoffzellen-Anlage, umfassend ein Deaktivieren des Gasstroms und
- b) Inbetriebnehmen der Brennstoffzellen-Anlage, umfassend ein Aktivieren des Gasstroms.
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Hierbei kommt die oben genannte besonders gute Abscheideleistung über ein breites Spektrum an Betriebspunkten des Wasserabscheiders zum Tragen, da der Vorgang des Inbetriebnehmens bereits mit besonders guter Abscheideleistung durchführbar ist und hiermit eine zuverlässige Verfahrensführung beim Betreiben einer Brennstoffzelle erzielbar ist, insbesondere indem die Brennstoffzelle vor dem unnötigen Eintreten von flüssigem Wasser in den Anodenraum bzw. in den Kathodenraum geschützt wird.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei Beginn des Verfahrensschritts b) und/oder nach Beendigung des Verfahrensschritts a) der Wasserabscheider, insbesondere der Füllkörper, eine Temperatur von unter 0°C, insbesondere von unter -10 °C, weiter insbesondere von unter -20 °C, weiter insbesondere von unter -50 °C aufweist oder erreicht. Bei dieser Verfahrensführung kommt der Vorteil zum Tragen, dass der erfindungsgemäße Wasserabscheider auch in einem mit Wasser gesättigten und eingefrorenen Zustand noch eine ausreichend gute Abscheideleistung für das Abscheiden von flüssigem Wasser aus dem Gasstrom aufweist und das Inbetriebnehmen der Brennstoffzellen-Anlage möglich ist, ohne dass aufwändige und kostenintensive Heizeinrichtungen zum Vorwärmen und Enteisen des Wasserabscheiders erforderlich wären.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich weiterhin aus den Unteransprüchen sowie aus den folgenden Ausführungsbeispielen und den Zeichnungen.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele und der dazugehörenden Zeichnungen beispielhaft erläutert. Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Brennstoffzellen-Anlage als Fließbild mit einem in Schnittdarstellung gezeigten Wasserabscheider gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2: eine perspektivische teilaufgeschnittene Ansicht des Wasserabscheiders aus 1,
- 3: eine perspektivische aufgeschnittene Darstellung eines Wasserabscheiders gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 4: eine perspektivische aufgeschnittene Darstellung eines Wasserabscheiders gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt ein durch den äußeren rechteckigen durchgezogenen Kasten schematisch dargestelltes Fahrzeug 2, welches gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Kraftwagen ist. Als Komponente des Fahrzeugs 2 weist das Fahrzeug 2 eine Brennstoffzellen-Anlage 4 auf, welche durch den inneren gestrichelt gezeichneten Kasten schematisch dargestellt ist. Die Brennstoffzellen-Anlage 4 weist eine Brennstoffzelle 6 auf, welche eine protonenleitende Membran 8 umfasst, die einen Kathodengasraum 10 der Brennstoffzelle 6 von einem Anodengasraum 12 der Brennstoffzelle 6 trennt. Das Anodengas ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel Wasserstoff, entsprechend ist die Brennstoffzelle 6 eine Wasserstoff-Brennstoffzelle. In den Anodengasraum 12 wird ein aufbereiteter Anodenfrischgasstrom 14 eingeleitet, welcher in dem Anodengasraum 12 die protonenleitende Membran 8 überströmt. Ein nicht in der Brennstoffzelle 6 reagierter Anteil des aufbereiteten Anodenfrischgasstroms 14 verlässt den Anodengasraum 12 als Anodenabgasstrom 16. Dem Anodenabgasstrom 16 wird aus einem Anodengasspeicher 18 ein Anodengaszusatzstrom 20 zugesetzt, so dass aus dem Anodenabgasstrom 16 und dem Anodengaszusatzstrom 20 als Gemisch ein unaufbereiteter Anodenfrischgasstrom 22 hervorgeht. Der unaufbereitete Anodenfrischgasstrom 22 stellt einen mit flüssigem Wasser in Form von feinen Tropfen beladenen Gasstrom dar. Das flüssige Wasser in Form der feinen Tropfen kann hierbei in dem unaufbereiteten Anodenfrischgasstrom 22 entweder durch einen nicht dargestellten Befeuchtungsvorgang oder als Nebeneffekt der chemischen Reaktion in der Brennstoffzelle 6 enthalten sein. Für eine gute Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle 6 wird der Großteil des flüssigen Wassers aus dem unaufbereiteten Anodenfrischgasstrom 22 mittels eines Wasserabscheiders 24 entfernt. Über die Darstellung als eingebundene Komponente der Brennstoffzellen-Anlage in 1 hinaus ist der Wasserabscheider 24 ergänzend in 2 dargestellt.
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Die Brennstoffzellenanlage 4 des Fahrzeugs 2 weist eine Anodengasrezirkulationsleitung 25 auf, durch die hindurch der Anodenabgasstrom 16, der unaufbereitete Anodenfrischgasstrom 22 und der aufbereitete Anodenfrischgasstrom 14 hindurchgeleitet werden. Durch die Anodengasrezirkulationsleitung wird somit ein Teil des Anodengases, hier Wasserstoff, im Kreis geführt, mit einem Anodengaszusatzstrom 20 mit Anodengas angereichert und um flüssiges Wasser in dem Wasserabscheider 24 abgereichert. Der Wasserabscheider ist somit in die Anodengasrezirkulationsleitung eingeschleift.
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Der Wasserabscheider 24 weist einen Gehäusekörper 26 auf, innerhalb dessen ein Innenraum 28 von Innenwandungen 30 nach außen begrenzt ist. Der Gehäusekörper 26 des Wasserabscheiders 24 ist in der Geometrie eines Zyklons ausgestaltet. Der Wasserabscheider 24 weist eine Gaseinlassöffnung 32 und eine Gasauslassöffnung 34 auf.
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Wie in 1 dargestellt ist, wird der unaufbereitete Anodenfrischgasstrom 22 durch die Gaseinlassöffnung 32 hindurch in den Innenraum 28 hineingeleitet. Innerhalb des Innenraums 28 ist ein Füllkörper 36 angeordnet, der einen Anteil von etwa 80 % des Innenraumvolumens des Innenraums 28 ausfüllt. Der Füllkörper 36 weist einen offenzelligen Polymer-Schaumstoff auf, nämlich einen Polyether-Schaumstoff. Der Polymer-Schaumstoff des Füllkörpers 36 weist ein zusammenhängendes Netzwerk aus Polymerstegen auf, welche Zellen des Polymer-Schaumstoffs umgeben. Dadurch, dass der Polymer-Schaumstoff das Netzwerk aus Polymerstegen aufweist, hingegen keine oder sehr wenige Lamellenwände zwischen den Zellen aufweist, ist der Polymer-Schaumstoff und somit der Füllkörper 36 sehr gut von Gasen durchströmbar. Der Füllkörper 36 ist in den Innenraum 28 derart angeordnet, dass er an der Innenwandungen 30 flächig anliegt und die Gaseinlassöffnung 32 von der Gasauslassöffnung 34 fluiddynamisch derart trennt, dass der unaufbereitete Anodenfrischgasstrom 22 in den Füllkörper 36 eintritt, in dem Innenraum 28 den Füllkörper 36 durchströmt und anschließend als der aufbereitete Anodenfrischgasstrom 14 durch die Gasauslassöffnung 34 aus dem Innenraum 28 heraus geleitet wird. Der Anodenfrischgas Strom 14 wird dann wie vorstehend beschriebenen wiederum den Anodengasraum 12 der Brennstoffzelle 6 zugeleitet.
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Der unaufbereitete Anodenfrischgasstrom 22 wird bei dem Durchströmen des Wasserabscheiders 24 in den aufbereiteten Anodenfrischgasstrom 14 gewandelt. Dies geschieht dadurch, dass bei dem durchströmen des Wasserabscheiders 24 das flüssige Wasser in Form der feinen Tropfen in dem Wasserabscheider 24 abgeschieden wird, d. h. aus dem aufbereiteten Anodenfrischgasstrom 22 entfernt wird, sodass um das flüssige Wasser in Form der feinen Tropfen abgereichert der aufbereitete Anodenfrischgasstrom 14 bereitgestellt wird.
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Das Abscheiden des flüssigen Wassers in Form der feinen Tröpfchen aus dem unaufbereiteten Anodenfrischgasstrom 22 erfolgt dadurch, dass die feinen Tropfen an dem Netzwerk aus Polymerstegen des Füllkörpers 36 auftreffen und dabei dort zu größeren Tropfen koagulieren, welche in Schwerkraftrichtung bis in einen Auffangbereich 40 des Wasserabscheiders 24 hinabsickern. Hierbei strömt der Gasstrom, d. h. der unaufbereitete Anodenfrischgasstrom 14 sowie der daraus hervorgehende aufbereitete Anodenfrischgasstrom 22 durch die offenen und miteinander verbundenen Zellen des Polymer-Schaumstoffs weitestgehend ungehindert hindurch. Das Strömungsfeld innerhalb des Zyklon-Gehäuses entspricht hierbei - abweichend von einem klassischen Zyklon-Abscheider - nicht einer Wirbelströmung. Das Strömungsfeld entspricht vielmehr einer durch die Zellen des Polymer-Schaumstoffs hindurch mäandernden Strömung, welche im Wesentlichen durch die Polymerstege vielfach umgelenkt wird.
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Das angesammelte abgeschiedene Wasser ist durch eine nicht detailliert dargestellte Ablasseinrichtung 42 aus dem Auffangbereich 40 ableitbar. Das Ableiten erfolgt hierbei dann, wenn der Wasserpegel 44 eine Maximalhöhe überschreitet.
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Der Polymer-Schaumstoff weist eine Zellenzahl zwischen 2 und 3,2 Poren pro Zentimeter auf. Dies entspricht einer Zellendichte von 20 ppi, wobei die Einheit „ppi“ die Anzahl von Zellen pro Zoll ist.
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Bei dem Betreiben der Brennstoffzellen-Anlage 4 wird ein Kathodenfrischgasstrom 46, im vorliegenden Ausführungsbeispiel Sauerstoff oder ein Sauerstoff aufweisendes Gasgemisch, mittels einer Kathodengaszuführleitung 48 in den Kathodengasraum 10 eingeleitet und dort über die protonenleitende Membran 8 geleitet. Ein Kathodenabgasstrom 50 wird über eine Kathodengasabführleitung 52 aus dem Kathodengasraum herausgeleitet.
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Bei dem Verfahren zum Betreiben des Fahrzeugs 2 bzw. der in dem Fahrzeug 2 angeordneten Brennstoffzellen-Anlage 4 kann hin und wieder oder sehr häufig ein Abschalten der Brennstoffzellen-Anlage 4 und ein anschließendes erneutes Inbetriebnehmen ein Erfordernis für das Betreiben sein. Wird das Abschalten und daraffolgende Inbetriebnehmen bei dem gezeigten Fahrzeug 2 oder der Brennstoffzellen-Anlage 4 durchgeführt, so kann bei kalten Umgebungstemperaturen Wasser, welches beim Betrieb gasförmig war, bedingt durch die Abkühlung als Tröpfchen ausfallen, auf den Füllkörper 36 absinken und/oder in den Füllkörper hineinlaufen und dort gefrieren. Plausibel ist auch, dass der Füllkörper 36 mit der maximal von diesem speicherbaren Wassermenge gesättigt wird ist und anschließend einfriert. Auch in diesem Szenario ist laut überraschenden Experimentalergebnissen immer noch eine Funktionalität des Wasserabscheiders 24 gegeben, die ein Betreiben der Brennstoffzelle 6 gewährleistet, ohne dass in dem aufbereiteten Anodenfrischgasstrom 14 flüssiges Wasser in für die Brennstoffzelle 6 problematischer Menge beinhaltet. Dies gilt selbst für tiefe Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser, d.h. wenn der Wasserabscheider Temperaturen von unter -20 °C aufweist.
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3 zeigt exemplarisch einen alternativ ausgestalteten Wasserabscheider 54 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Gehäusekörper 56 des Wasserabscheiders 54 weist eine quaderförmige Geometrie auf. Auch dieser Wasserabscheider 54 weist einen in dessen Innenraum 58 angeordneten Füllkörper 60 auf sowie eine GaseinlassÖffnung 62 und eine Gasauslassöffnung 64. An der in Schwerkraftrichtung 38 tiefstliegenden Stelle des Innenraums 58 weist der Wasserabscheider 54 zudem einen Auffangbereich 66 und eine nicht detailliert dargestellte Ablasseinrichtung 67 auf.
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4 zeigt exemplarisch einen alternativ ausgestalteten Wasserabscheider 68 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Gehäusekörper 70 des Wasserabscheiders 68 weist eine zylindrische Geometrie auf. Auch dieser Wasserabscheider 68 weist einen in dessen Innenraum 72 angeordneten Füllkörper 74 auf sowie eine Gaseinlassöffnung 76 und eine Gasauslassöffnung 78. An der in Schwerkraftrichtung 38 tiefstliegenden Stelle des Innenraums 72 weist der Wasserabscheider 68 zudem einen Auffangbereich 80 und eine nicht detailliert dargestellte Ablasseinrichtung 82 auf.
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Bezugszeichenliste:
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- 2
- Fahrzeug
- 4
- Brennstoffzellen-Anlage
- 6
- Brennstoffzelle
- 8
- protonenleitende Membran
- 10
- Kathodengasraum
- 12
- Anodengasraum
- 14
- aufbereiteter Anodenfrischgasstrom
- 16
- Anodenabgasstrom
- 18
- Anodengasspeicher
- 20
- Anodengaszusatzstrom
- 22
- unaufbereiteter Anodenfrischgasstrom
- 24
- Wasserabscheider
- 25
- Anodengasrezirkulationsleitung
- 26
- Gehäusekörper
- 28
- Innenraum
- 30
- Innenwandung
- 32
- Gaseinlassöffnung
- 34
- Gasauslassöffnung
- 36
- Füllkörper
- 38
- Schwerkraftrichtung
- 40
- Auffangbereich
- 42
- Ablasseinrichtung
- 44
- Wasserpegel
- 46
- Kathodenfrischgasstrom
- 48
- Kathodengaszuführleitung
- 50
- Kathodenabgasstrom
- 52
- Kathodengasabführleitung
- 54
- Wasserabscheider
- 56
- Gehäusekörper
- 58
- Innenraum
- 60
- Füllkörper
- 62
- Gaseinlassöffnung
- 64
- Gasauslassöffnung
- 66
- Auffangbereich
- 67
- Ablasseinrichtung
- 68
- Wasserabscheider
- 70
- Gehäusekörper
- 72
- Innenraum
- 74
- Füllkörper
- 76
- Gaseinlassöffnung
- 78
- Gasauslassöffnung
- 80
- Auffangbereich
- 82
- Ablasseinrichtung
