WO2010063442A1 - Flüssigkeitsabscheider für ein brennstoffzellensystem - Google Patents

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fuel cell
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cell system
water
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Stefan Fandel
Martin Heumos
Patrick Mangold
Marc Sommer
Wolfgang Weger
Deun Yu
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Daimler Ag
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a liquid separator, in particular a liquid separator for a fuel cell system, and a fuel cell system with at least one such liquid separator.
  • both a single fuel cell in short: single cell
  • a series connection of two or more individual cells to a fuel cell stack in short: stack
  • hydrogen or a hydrogen-rich gas as fuel and cathode-side oxygen or an oxygen-rich gas such as ambient air is supplied as an oxidizing agent in a fuel cell for generating electrical energy on the anode input side.
  • the electrodes of the fuel cell are separated by an ion exchange membrane (e.g., polymer electrolyte membrane).
  • protons thus formed in the anode region then diffuse through the ion exchange membrane to the cathode region. There, they react on a cathode catalyst with the cathode-side supplied oxygen and the supplied via an external circuit electrons according to the equation
  • water is thus formed as a reaction product of the electrochemical processes in the fuel cell.
  • additional water is frequently introduced into the fuel cell system together with the reactants supplied to the anode region or the cathode region.
  • moisture may be contained in the anode gases or in the ambient air.
  • liquid water can block flow channels provided in the fuel cell system, in particular in the region of the fuel cell, and thus impair an even distribution of the gaseous reactants in the system or in the fuel cell. This can have a negative effect on the degree of conversion of the reactants in the fuel cell and thus on the efficiency of the system.
  • liquid water present in the fuel cell system can freeze at low temperatures, which can lead to damage of the system components and blockages of flow channels.
  • it is also necessary to avoid an emission of liquid water as this could lead to ice formation on a road surface and thus to a traffic hazard at low outside temperatures.
  • fuel cell systems typically include a plurality of liquid separators disposed at various locations in the system to remove liquid water from the gas streams and the system, respectively.
  • FIG. 10 The structure of a conventional fuel cell system, as described for example in DE 10 2004 056 952 A1, is illustrated in FIG.
  • the fuel cell system shown by way of example in FIG. 3 contains a fuel cell 10 with an anode region 12 and a cathode region 14, which are separated from one another by an ion exchange membrane 16.
  • the fuel cell system usually includes a plurality of such fuel cells 10, which are arranged one behind the other or stacked one above the other to form a stack.
  • the cathode region 14 of the fuel cell 10 is supplied with air or an oxygen-rich gas through a compressor 18 via a cathode gas supply line 20.
  • a cathode gas supply line 20 to Deriving the cathode exhaust gases produced in the fuel cell 10, the cathode region of the fuel cell 10 is connected to a cathode exhaust gas discharge line 22.
  • a humidification system 24 is arranged in the cathode gas supply line 20, which humidifies the cathode-side supplied air with water.
  • the humidification system 24 is preferably also connected to the cathode exhaust gas discharge line 22 and is designed as a gas-gas - membrane humidifier.
  • the anode region 12 of the fuel cell 10 is connected to an anode gas supply line 26 through which hydrogen is supplied to the anode region 12.
  • a first valve 28 is arranged in this anode gas supply line 26.
  • An anode exhaust gas discharge line 30 is formed as a recirculation line in which a recirculation fan 32 is arranged to recirculate anode exhaust gases leaving the anode region 12 of the fuel cell 10.
  • Sensors 34, 36 are preferably provided in the anode exhaust gas discharge line 30 for measuring the pressure, the temperature and the relative humidity of the anode exhaust gases as well as the hydrogen concentration in the anode exhaust gases.
  • anode exhaust gas discharge line 30 is preferably also connected via a second valve 38 to a purge line 40.
  • the second valve 38 may be opened to flush the anode portion 12 of the fuel cell 10 with a purge gas supplied through the purge line 40, such as air.
  • a first liquid separator 42 is preferably arranged in the cathode gas supply line 20, a second liquid separator 44 in the anode gas supply line 26, and a further liquid separator 46 in the anode exhaust gas discharge line 30.
  • Each of these liquid separators 42, 44, 46 generally includes a reservoir 48 and a level sensor 50 for detecting the level of liquid in the reservoir 48.
  • a fluid outlet of each reservoir 48 is connected to a water drain line 52 in each of which a drain valve 54 is disposed.
  • a level sensor 50 indicates that the water level in the sump 48 of the associated liquid separator 42, 44, 46 has reached a predetermined value
  • the corresponding drain valve 54 is opened, so that the water collected in the sump 48 through the liquid outlet and respective water drain line 52 can be removed from the fuel cell system.
  • DE 10 2007 051 811 A1 discloses a drain valve which can be heated via a divided solenoid for use in a fuel cell system.
  • DE 100 13 687 B4 discloses a fuel cell system in which at least partially heatable media lines are provided.
  • the invention has for its object to provide a liquid separator for a fuel cell system, which is quickly functional in a so-called freeze start.
  • a liquid separator comprises a collecting tank having a gas inlet, a gas outlet and a water outlet, a water drainage pipe connected to the water outlet, and a drain valve disposed in the water drainage pipe.
  • at least one heatable structural element is arranged in the collecting container and is formed so that it generates at least one connected to the water outlet channel when heating in an ice block in the collecting container.
  • the at least one heatable structural element is formed from a material which has a higher thermal conductivity than a material of the collecting container.
  • the at least one heatable structural element can be heated using the heat energy of a fuel cell, a starting heater or an operating medium, preferably a cooling medium, of the fuel cell system. Since thawing of the liquid separator anyway existing heat sources of the fuel cell system are used, the energy required for the heat input into the reservoir of the liquid is very low.
  • the at least one heatable structural element can also be heated using an electric heating element or a hydrogen combustion in the liquid separator itself.
  • the at least one heatable structural element has a rib element projecting into the collecting container.
  • the at least one heatable structural element has a tube element connected to the water outlet with openings in the tube wall.
  • the drain valve and / or the water drain line are at least partially heated.
  • a fuel cell system includes a fuel cell having an anode region and a cathode region, a cathode gas supply line, a cathode off-gas discharge line, an anode gas supply line, an anode off-gas discharge line, and at least one liquid separator described above.
  • the liquid separator of the fuel cell system formed according to the present invention is, for example, a liquid separator in the cathode gas supply pipe, a liquid separator in the anode gas supply pipe, and / or a liquid separator in the anode exhaust gas discharge pipe of the fuel cell system.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the construction of a liquid separator of the present invention
  • Fig. 2 is a partial perspective view, partly in section, of a liquid separator according to a preferred embodiment of the invention.
  • Fig. 3 is a schematic block diagram of a fuel cell system in which the liquid separator of the present invention can be advantageously used.
  • the liquid separator of the present invention can be advantageously used in a fuel cell system as exemplified in Fig. 3 and already explained above.
  • the invention is of course not limited to this application, in particular not limited to a fuel cell system constructed in this way.
  • the present invention is advantageously usable in both mobile and stationary applications.
  • the liquid separator 42 in the cathode gas supply line 20, the liquid separator 44 in the anode gas supply line 26, and / or the liquid separator 46 in the anode exhaust discharge line 30 may be used as a liquid trap according to the present invention be designed.
  • the liquid separator 42, 44, 46 has a housing 60, in which the collecting container 48 is arranged, which is often funnel-shaped, as indicated in Fig. 1.
  • a gas inlet 62 and a gas outlet 64 are provided in the upper region of the collecting container 48.
  • a gas inlet 62 Through the gas inlet 62, a gas flows together with liquid water contained therein into the sump, the liquid water is collected in the bottom portion of the sump 48, and the dehumidified gas exits the sump 64 through the gas outlet.
  • a water outlet 66 In the bottom area of the collecting container 48 is a water outlet 66, which is connected to a water drain line 52.
  • a drain valve 54 In this water drainage line 52, a drain valve 54 is arranged to open and close the flow path through the water drainage line 52.
  • a sensor (not shown in Fig. 1) detects the level of liquid water in the sump. At a predetermined level, the drain valve 54 is then opened to transfer the liquid water from the sump 48 to, for example, the environment, to another water separator, to a media line of the fuel cell system, or to the cathode gas supply line into the fuel cell.
  • the liquid water in the collecting container 48 may freeze and an ice block 68 may form in the lower region of the collecting container 48, blocking the water outlet 66.
  • the drain valve 54 and the water drain line 52 upstream of the drain valve 54 may be blocked by frozen water.
  • the risk of this formation of ice exists in particular when the fuel cell system is switched off, since then the flow paths through the liquid separator 42, 44, 46 are no longer flowed through, in particular no longer with a medium be flowed through, the temperature of which is sufficiently high to prevent freezing of the water.
  • the complete ice block 68 is not melted for this purpose, which requires a relatively large amount of energy.
  • at least one structural element 70 is arranged or formed in the collecting container 48, in particular in its lower region, where the ice block 68 is usually formed, which is heatable and which forms at least one channel through its heated structure in the block of ice liquid water can flow from the reservoir 48 via the water outlet 66 into the water drain line 52.
  • liquid separator 42, 44, 46 does not have to melt the entire block of ice 68, but it suffices a small portion of it. For this reason, only a small amount of energy is needed to allow the drainage of liquid water.
  • a further limitation of the heat input region and thus the required energy expenditure can be achieved by the at least one structural element 70 made of a material with a good thermal conductivity (eg aluminum, copper), while the remaining (wall) areas of the collecting container 48 made of a material with a lower thermal conductivity (eg plastic) exist.
  • This effect can be reduced by special coatings heat transfer to the ice block 68 or the collection container 48.
  • the structural element 70 in the collecting container 48 and the water drainage line 54 including the drain valve 52 within the housing can be heated in various ways.
  • the desired heating may be Use of the heat energy of the fuel cell, a starting heater or an operating medium, preferably a cooling medium, the fuel cell system can be achieved. Since in this case the existing heat sources of the fuel cell system are used anyway for thawing the liquid separator 42, 44, 46, the energy required for the heat input into the collecting container of the liquid separator is very low.
  • the at least one heatable structure element 70, the drain valve 54, and the water drain line 52 within the housing 60 may also be heated using an electrical heating element or hydrogen combustion in the liquid separator itself.
  • the region of the water drain line 52 outside the housing 60 of the liquid separator 42, 44, 46 is preferably likewise heatable, for example by an electric heating element 72.
  • the heatable structural element 70 may be formed, for example, by rib structures on the inner wall of the collecting container 48 in its bottom area. If the rib structures are heated, channels are very quickly formed in the depressions between the ribs of the rib structures.
  • the heatable structure element 70 is formed in the collecting container 48 from a tubular element which is connected to the water outlet 66 and the water drain line 52 and projects into the interior of the collecting container 48.
  • the height of the tubular element 70 in the collecting container 48 is dimensioned so that it is greater than the height of an expected ice block 68. For example, it corresponds to the water level at which the sensor 50 actuates the drain valve 54 during operation of the fuel cell system in order to drain the liquid water from the reservoir 48.
  • the tubular element 70 is shown in FIG. 2 with a substantially circular cross-section. But there are also other cross-sectional shapes for the pipe element conceivable, for example, elliptical, square, rectangular, polygonal. As can be further seen in Fig. 2, the tube member 70 is provided with a plurality of openings 76 in the form of holes, slots, slots or the like. Below the collecting container 48, a radiator 78 is arranged below the collecting container 48. This heater 78 communicates with the tubular element 70 in the collecting container 48 in very good thermal contact, it is for example formed integrally therewith from a material with good thermal conductivity. As shown in FIG. 2, channels 80 for a heating medium are formed in the heater 78. This heating medium is in a preferred embodiment of the invention, the cooling medium of the fuel cell system, which heats up during operation of the fuel cell 10. However, as discussed above, the heater body 78 may be heated in other ways to heat the tube member 70.
  • the ice block 68 first melts in the immediate vicinity of the tube element 70 and inside the tube element 70.
  • a plurality of channels form in the ice block 68, through which liquid water which is newly collected in the collection container 48 above the ice block 68 is allowed to drain to the water outlet 66 of the collecting container 48 and further through the water drain line 52.
  • the entire block of ice 68 is melted here.
  • the ice block 68 is melted in a targeted manner only in a small subvolume directly inside the tubular element 70 and around it, a relatively low expenditure of energy is sufficient.
  • the small volume fraction of the ice block 68 can be melted very quickly, so that the operability of the liquid separator 42, 44, 46 can be made very quickly at a freeze start.
  • Fig. 2 While in the embodiment of Fig. 2 only one pipe element 70 is present in the sump, it is also possible to provide a plurality of pipe elements or a branched pipe element system or to combine one or more pipe elements with the above-mentioned fin structures.
  • the water drain line 52 is connected to the water outlet 66 of the collecting container 48, ie upstream of the drain valve 54, formed with an electric heating element 74, which heats the water drain line 52 at a freeze start and also during operation at low ambient temperatures and so thawed ice in the line or prevents ice formation.
  • the water drain line 52 in the housing 60 of the liquid separator 42, 44, 46 but as the structural element 70 and its radiator 78 are also heated by the cooling medium of the fuel cell system.
  • the heating of the structural element 70, the water drain line 52 and the drain valve 54 is preferably carried out only at low ambient temperatures, in which it must be assumed that ice formation has taken place in these components.
  • one or more temperature sensors are provided.

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Abstract

Ein Flüssigkeitsabscheider (42, 44, 46) für ein Brennstoffzellensystem umfasst einen Sammelbehälter (48), der einen Gaseinlass (62), einen Gasauslass (64) und einen Wasserauslass (66) aufweist, eine Wasserablaufleitung (52), die mit dem Wasserauslass (66) verbunden ist, und ein Ablassventil (54), das in der Wasserablaufleitung (52) angeordnet ist. Um eine schnelle Funktionsfähigkeit des Flüssigkeitsabscheiders (42, 44, 46) bei einem Gefrierstart zu gewährleisten, ist in dem Sammelbehälter (48) wenigstens ein beheizbares Strukturelement (70) derart angeordnet und ausgebildet, dass es beim Beheizen in einem Eisblock (68) in dem Sammelbehälter (48) wenigstens einen mit dem Wasserauslass (66) verbundenen Kanal erzeugt.

Description

Flüssigkeitsabscheider für ein Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsabscheider, insbesondere einen Flüssigkeitsabscheider für ein Brennstoffzellensystem, sowie ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem derartigen Flüssigkeitsabscheider.
Unter einer Brennstoffzelle wird sowohl eine einzelne Brennstoffzelle (kurz: Einzelzelle) als auch eine Hintereinanderschaltung von zwei oder mehr Einzelzellen zu einem Brennstoffzellenstapel (kurz: Stack) verstanden.
Üblicherweise wird in einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie anoden- eingangsseitig Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas als Brennstoff und kathoden- seitig Sauerstoff oder ein sauerstoffreiches Gas wie zum Beispiel Umgebungsluft als Oxidationsmittel zugeführt. Die Elektroden der Brennstoffzelle sind durch eine lonen- austauschmembran (z.B. Polymer-Elektrolyt-Membran) voneinander getrennt.
Die anodeneingangsseitig zugeführten Wasserstoffmoleküle reagieren an einem im Anodenbereich vorhandenen Anodenkatalysator nach der Gleichung
H2 → 2 H+ + 2 e'
und geben dabei unter Bildung von positiv geladenen Wasserstoffionen (Protonen) Elektronen an die Elektrode ab. Die so im Anodenbereich gebildeten Protonen diffundieren anschließend durch die lonenaustauschmembran zum Kathodenbereich. Dort reagieren sie an einem Kathodenkatalysator mit dem kathodenseitig zugeführten Sauerstoff sowie den über einen äußeren Stromkreis zugeleiteten Elektronen nach der Gleichung
O2 + 4-H+ + 4 e" → 2 H2O zu Wasser.
In dem Brennstoffzellensystem wird somit als Reaktionsprodukt der elektrochemischen Prozesse in der Brennstoffzelle Wasser gebildet. Darüber hinaus wird häufig gemeinsam mit den dem Anodenbereich bzw. dem Kathodenbereich zugeführten Reaktanden zusätzliches Wasser in das Brennstoffzellensystem eingetragen. Beispielsweise kann in den Anodengasen oder in der Umgebungsluft Feuchtigkeit enthalten sein.
Flüssiges Wasser kann jedoch in dem Brennstoffzellensystem, insbesondere im Bereich der Brennstoffzelle vorgesehene Strömungskanäle blockieren und so eine gleichmäßige Verteilung der gasförmigen Reaktanden in dem System bzw. in der Brennstoffzelle beeinträchtigen. Dies kann sich negativ auf den Umsetzungsgrad der Reaktanden in der Brennstoffzelle und damit auf den Wirkungsgrad des Systems auswirken. Weiter kann in dem Brennstoffzellensystem vorhandenes flüssiges Wasser bei tiefen Temperaturen gefrieren, was zu Beschädigungen der Systemkomponenten und Blockaden von Strömungskanälen führen kann. Bei einer mobilen Anwendung der Brennstoffzelle, zum Beispiel für einen Antrieb eines Fahrzeugs, ist es außerdem notwendig, eine Emission von flüssigem Wasser zu vermeiden, da dieses bei tiefen Außentemperaturen zu einer Eisbildung auf einer Fahrbahn und somit zu einer Verkehrsgefährdung führen könnte.
Deshalb enthalten Brennstoffzellensysteme üblicherweise mehrere Flüssigkeitsabscheider, die an verschiedenen Stellen in dem System angeordnet sind, um flüssiges Wasser aus den Gasströmen bzw. dem System zu entfernen.
Der Aufbau eines herkömmlichen Brennstoffzellensystems, wie es beispielsweise in der DE 10 2004 056 952 A1 beschrieben ist, ist in Fig. 3 veranschaulicht.
Das in Fig. 3 beispielhaft dargestellte Brennstoffzellensystem enthält eine Brennstoffzelle 10 mit einem Anodenbereich 12 und einem Kathodenbereich 14, die durch eine lonen- austauschmembran 16 voneinander getrennt sind. Das Brennstoffzellensystem umfasst üblicherweise eine Vielzahl solcher Brennstoffzellen 10, die zur Bildung eines Stacks hintereinander angeordnet bzw. übereinander gestapelt sind.
Dem Kathodenbereich 14 der Brennstoffzelle 10 wird durch einen Kompressor 18 über eine Kathodengaszufuhrleitung 20 Luft bzw. ein sauerstoffreiches Gas zugeführt. Zur Ableitung der in der Brennstoffzelle 10 entstehenden Kathodenabgase ist der Kathodenbereich der Brennstoffzelle 10 mit einer Kathodenabgasabfuhrleitung 22 verbunden.
Um für die Wasserstoffionen leitfähig zu sein, muss die lonenaustauschmembran 16 der Brennstoffzelle 10 ständig befeuchtet werden. Zu diesem Zweck ist in der Kathodengas- zufuhrleitung 20 ein Befeuchtungssystem 24 angeordnet, das die kathodenseitig zugeführte Luft mit Wasser befeuchtet. Das Befeuchtungssystem 24 steht vorzugsweise auch mit der Kathodenabgasabfuhrleitung 22 in Verbindung und ist als Gas-Gas - Membran- befeuchter ausgebildet.
Der Anodenbereich 12 der Brennstoffzelle 10 steht mit einer Anodengaszufuhrleitung 26 in Verbindung, durch welche dem Anodenbereich 12 Wasserstoff zugeführt wird. Zur Dosierung der Wasserstoffzufuhr in den Anodenbereich 12 ist in dieser Anodengaszufuhrleitung 26 ein erstes Ventil 28 angeordnet. Eine Anodenabgasabfuhrleitung 30 ist als Rezirkulationsleitung ausgebildet, in der ein Rezirkulationsgebläse 32 angeordnet ist, um aus dem Anodenbereich 12 der Brennstoffzelle 10 austretende Anodenabgase im Kreislauf zu führen. In der Anodenabgasabfuhrleitung 30 sind vorzugsweise Sensoren 34, 36 vorgesehen, um den Druck, die Temperatur und die relative Feuchte der Anodenabgase sowie die Wasserstoffkonzentration in den Anodenabgasen zu messen.
Ferner steht die Anodenabgasabfuhrleitung 30 vorzugsweise auch über ein zweites Ventil 38 mit einer Spülleitung 40 in Verbindung. Nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems kann das zweite Ventil 38 geöffnet werden, um den Anodenbereich 12 der Brennstoffzelle 10 mit einem durch die Spülleitung 40 zugeführten Spülgas wie beispielsweise Luft zu spülen.
Aus den oben dargelegten Gründen sind vorzugsweise in der Kathodengaszufuhrleitung 20 ein erster Flüssigkeitsabscheider 42, in der Anodengaszufuhrleitung 26 ein zweiter Flüssigkeitsabscheider 44 und in der Anodenabgasabfuhrleitung 30 ein weiterer Flüssigkeitsabscheider 46 angeordnet. Jeder dieser Flüssigkeitsabscheider 42, 44, 46 enthält im Allgemeinen einen Sammelbehälter 48 und einen Pegelsensor 50 zum Erfassen des Flüssigkeitspegels in dem Sammelbehälter 48. Ein Flüssigkeitsauslass jedes Sammelbehälters 48 ist mit einer Wasserablaufleitung 52 verbunden, in der jeweils ein Ablassventil 54 angeordnet ist. Wenn ein Pegelsensor 50 anzeigt, dass der Wasserpegel im Sammelbehälter 48 des zugehörigen Flüssigkeitsabscheiders 42, 44, 46 einen vorgegebenen Wert erreicht hat, wird das entsprechende Ablassventil 54 geöffnet, sodass das im Sammelbehälter 48 gesammelte Wasser durch den Flüssigkeitsauslass und die jeweilige Wasserablaufleitung 52 aus dem Brennstoffzellensystem abgeführt werden kann.
In Zusammenhang mit den beschriebenen Flüssigkeitsabscheidern 42, 44, 46 besteht insbesondere nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems das Problem, dass das in den Sammelbehältern 48 sowie in den Wasserablaufleitungen 52 bis zu den Ablassventilen 54 gesammelte flüssige Wasser bei niedrigen Außentemperaturen gefrieren kann, sodass sich in den Sammelbehältern 48, den Wasserablaufleitungen 52 und den Ablassventilen 54 Eisblöcke bilden können, die einen Wasserablauf verhindern. Wird das Brennstoffzellensystem bei sehr niedrigen Temperaturen gestartet (so genannter Gefrierstart), so müssen die Sammelbehälter 48, die Wasserablaufleitungen 52 und die Ablassventile 54 der vorhandenen Flüssigkeitsabscheider 42, 44, 46 des Systems erwärmt werden, um die dort existierenden Eisblöcke zu schmelzen und die Funktionsfähigkeit der Flüssigkeitsabscheider 42, 44, 46 nach dem Betriebsstart möglichst schnell herzustellen. Im Stand der Technik werden hierzu entsprechende Heizelemente eingesetzt.
Zum Beispiel ist aus der DE 10 2007 051 811 A1 ein über einen geteilten Solenoiden beheizbares Ablassventil zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem bekannt.
Weiter offenbart die DE 100 13 687 B4 ein Brennstoffzellensystem, bei dem zumindest teilweise beheizbare Medienleitungen vorgesehen sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitsabscheider für ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, der bei einem so genannten Gefrierstart schnell funktionsfähig ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Flüssigkeitsabscheider mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Flüssigkeitsabscheider gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Sammelbehälter, der einen Gaseinlass, einen Gasauslass und einen Wasserauslass aufweist, eine Wasserablaufleitung, die mit dem Wasserauslass verbunden ist, und ein Ablassventil, das in der Wasserablaufleitung angeordnet ist, auf. Zusätzlich ist in dem Sammelbehälter wenigstens ein beheizbares Strukturelement derart angeordnet und ausgebildet ist, dass es beim Beheizen in einem Eisblock in dem Sammelbehälter wenigstens einen mit dem Wasserauslass verbundenen Kanal erzeugt.
Mit dem beheizbaren Strukturelement im Sammelbehälter werden gezielt für die Funktion des Sammelbehälters benötigte Bereiche, nämlich jene zur Bildung von Kanälen für einen Ablauf flüssigen Wassers zum Wasserauslass in die Wasserablaufleitung erwärmt. Dies führt zur schnellen Herstellung der Funktionsfähigkeit des Flüssigkeitsabscheiders, ohne den gesamten Eisblock schmelzen zu müssen, wie dies bei herkömmlichen Flüssigkeits- abscheidem der Fall ist. Durch die Eingrenzung der zu erwärmenden Bereiche im Sammelbehälter kann die Funktionsfähigkeit des Flüssigkeitsabscheiders bei einem so genannten Gefrierstart nicht nur sehr schnell, sondern auch mit einem nur geringen Energieaufwand gewährleistet werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das wenigstens eine beheizbare Strukturelement aus einem Material gebildet ist, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als ein Material des Sammelbehälters. Hierdurch wird die Wärme noch gezielter in den Sammelbehälter eingeleitet, indem der Wärmeeintragbereich noch weiter beschränkt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das wenigstens eine beheizbare Strukturelement unter Verwendung der Wärmeenergie einer Brennstoffzelle, eines Startheizers oder eines Betriebsmediums, vorzugsweise eines Kühlmediums, des Brennstoffzellensystems erwärmt werden. Da zum Auftauen des Flüssigkeitsabscheiders ohnehin vorhandene Wärmequellen des Brennstoffzellensystems genutzt werden, ist der Energieaufwand für den Wärmeeintrag in den Sammelbehälter des Flüssigkeitsabscheiders sehr gering.
Alternativ oder zusätzlich kann das wenigstens eine beheizbare Strukturelement auch unter Verwendung eines elektrischen Heizelements oder einer Wasserstoffverbrennung im Flüssigkeitsabscheider selbst erwärmt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das wenigstens eine beheizbare Strukturelement ein in den Sammelbehälter ragendes Rippenelement auf.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist das wenigstens eine beheizbare Strukturelement ein mit dem Wasserauslass verbundenes Rohrelement mit Durchbrechungen in der Rohrwand auf. In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind auch das Ablassventil und/oder die Wasserablaufleitung zumindest teilweise beheizbar.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle mit einem Anodenbereich und einem Kathodenbereich, eine Kathoden- gaszufuhrleitung, eine Kathodenabgasabfuhrleitung, eine Anodengaszufuhrleitung, eine Anodenabgasabfuhrleitung und wenigstens einen oben beschriebenen Flüssigkeitsabscheider.
Bei dem Flüssigkeitsabscheider des Brennstoffzellensystems, der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, handelt es sich zum Beispiel um einen Flüssigkeitsabscheider in der Kathodengaszufuhrleitung, einen Flüssigkeitsabscheider in der Anodengaszufuhrleitung und/oder einen Flüssigkeitsabscheider in der Anodenabgasabfuhrleitung des Brennstoffzellensystems.
Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Flüssigkeitsabscheiders der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Teilperspektivansicht, teilweise im Schnitt, eines Flüssigkeitsabscheiders gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems, bei dem der Flüssigkeitsabscheider der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise eingesetzt werden kann.
Der Flüssigkeitsabscheider der vorliegenden Erfindung kann in vorteilhafter Weise in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt werden, wie es in Fig. 3 beispielhaft veranschaulicht ist und bereits oben erläutert worden ist. Die Erfindung ist aber selbstverständlich nicht nur auf diese Anwendung, insbesondere nicht nur auf ein derart aufgebautes Brennstoffzellensystem beschränkt. Außerdem ist die vorliegende Erfindung sowohl bei mobilen als auch bei stationären Anwendungen vorteilhaft einsetzbar. In dem in Fig. 3 dargestellten Brennstoffzellensystem, dessen Beschreibung hier nicht nochmals wiederholt werden soll, können der Flüssigkeitsabscheider 42 in der Kathoden- gaszufuhrleitung 20, der Flüssigkeitsabscheider 44 in der Anodengaszufuhrleitung 26 und/oder der Flüssigkeitsabscheider 46 in der Anodenabgasabfuhrleitung 30 als ein erfindungsgemäßer Flüssigkeitsabscheider ausgestaltet sein.
Das Grundprinzip und die Funktionsweise eines Flüssigkeitsabscheiders der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezug auf Fig. 1 näher erläutert.
Der Flüssigkeitsabscheider 42, 44, 46 hat ein Gehäuse 60, in dem der Sammelbehälter 48 angeordnet ist, der häufig trichterförmig ausgebildet ist, wie in Fig. 1 angedeutet. Im oberen Bereich des Sammelbehälters 48 sind ein Gaseinlass 62 und ein Gasauslass 64 vorgesehen. Durch den Gaseinlass 62 strömt ein Gas zusammen mit darin enthaltenem flüssigem Wasser in den Sammelbehälter, das flüssige Wasser wird im Bodenbereich des Sammelbehälters 48 gesammelt, und das entfeuchtete Gas verlässt den Sammelbehälter 64 durch den Gasauslass.
Im Bodenbereich des Sammelbehälters 48 befindet sich ein Wasserauslass 66, der mit einer Wasserablaufleitung 52 verbunden ist. In dieser Wasserablaufleitung 52 ist ein Ablassventil 54 angeordnet, um den Strömungsweg durch die Wasserablaufleitung 52 zu öffnen und zu sperren. Ein Sensor (nicht dargestellt in Fig. 1) erfasst den Pegel des flüssigen Wassers in dem Sammelbehälter. Bei einem vorbestimmten Pegelwert wird dann das Ablassventil 54 geöffnet, um das flüssige Wasser aus dem Sammelbehälter 48 zum Beispiel an die Umgebung, an einen weiteren Wasserabscheider, an eine Medienleitung des Brennstoffzellensystems oder an die Kathodengaszufuhrleitung in die Brennstoffzelle sein.
Wie in Fig. 1 veranschaulicht, kann es bei sehr niedrigen Außentemperaturen dazu kommen, dass das flüssige Wasser im Sammelbehälter 48 gefriert und sich im unteren Bereich des Sammelbehälters 48 ein Eisblock 68 bildet, der dann den Wasserauslass 66 blockiert. Ebenso können bei niedrigen Außentemperaturen das Ablassventil 54 und die Wasserablaufleitung 52 stromauf des Ablassventils 54 durch gefrorenes Wasser blockiert werden. Die Gefahr dieser Eisbildung besteht natürlich insbesondere bei abgeschaltetem Brennstoffzellensystem, da dann die Strömungswege durch den Flüssigkeitsabscheider 42, 44, 46 nicht mehr durchströmt werden, insbesondere nicht mehr mit einem Medium durchströmt werden, dessen Temperatur ausreichend hoch ist, um ein Gefrieren des Wassers zu verhindern.
Bei einem Start des Brennstoffzellensystems aus dem in Fig. 1 gezeigten Zustand heraus, d.h. bei einem so genannten Gefrierstart, bei dem im Sammelbehälter 48 des Flüssigkeitsabscheiders 42, 44, 46 üblicherweise ein Eisblock 68 vorhanden ist, der den Wasserauslass 66 blockiert, muss nun möglichst rasch die Funktionsfähigkeit des Flüssigkeitsabscheiders 42, 44, 46 gewährleistet werden. Mit anderen Worten muss möglichst schnell erreicht werden, dass flüssiges Wasser aus dem Sammelbehälter 48 in die Wasserablaufleitung 52 abfließen kann.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen wird zu diesem Zweck nicht der komplette Eisblock 68 geschmolzen, wozu ein relativ hoher Energieaufwand benötigt wird. Statt dessen ist in dem Sammelbehälter 48, insbesondere in seinem unteren Bereich, wo sich üblicherweise der Eisblock 68 bildet, wenigstens ein Strukturelement 70 angeordnet bzw. ausgebildet, welches beheizbar ist und welches durch seine erwärmte Struktur in dem Eisblock wenigstens einen Kanal bildet, durch den flüssiges Wasser aus dem Sammelbehälter 48 über den Wasserauslass 66 in die Wasserablaufleitung 52 fließen kann. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit kann es vorteilhaft sein, mehrere, voneinander unabhängige Kanäle durch das wenigstens eine Strukturelement 70 zu erzeugen.
D.h. zum Erzielen der Funktionsfähigkeit des Flüssigkeitsabscheiders 42, 44, 46 muss nicht der gesamte Eisblock 68 geschmolzen werden, sondern es genügt ein kleiner Teilbereich davon. Aus diesem Grund ist auch nur ein geringerer Energieaufwand notwendig, um das Ablaufen flüssigen Wassers zu ermöglichen.
Eine weitere Begrenzung des Wärmeeintragbereichs und damit des benötigten Energieaufwandes kann erreicht werden, indem das wenigstens eine Strukturelement 70 aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit (z.B. Aluminium, Kupfer) ausgeführt ist, während die übrigen (Wand-)Bereiche des Sammelbehälters 48 aus einem Material mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit (z.B. Kunststoff) bestehen. Dieser Effekt kann durch spezielle Beschichtungen ein Wärmeübergang an den Eisblock 68 oder den Sammelbehälter 48 verringert werden.
Das Strukturelement 70 im Sammelbehälter 48 sowie die Wasserablaufleitung 54 einschließlich des Ablassventils 52 innerhalb des Gehäuses können auf verschiedene Weisen beheizt werden. Zum Beispiel kann die gewünschte Erwärmung unter Ver- wendung der Wärmeenergie der Brennstoffzelle, eines Startheizers oder eines Betriebsmediums, vorzugsweise eines Kühlmediums, des Brennstoffzellensystems erzielt werden. Da hierbei zum Auftauen des Flüssigkeitsabscheiders 42, 44, 46 ohnehin vorhandene Wärmequellen des Brennstoffzellensystems genutzt werden, ist der Energieaufwand für den Wärmeeintrag in den Sammelbehälter des Flüssigkeitsabscheiders sehr gering. Alternativ oder zusätzlich können das wenigstens eine beheizbare Strukturelement 70, das Ablassventil 54 und die Wasserablaufleitung 52 innerhalb des Gehäuses 60 auch unter Verwendung eines elektrischen Heizelements oder einer Wasserstoffverbrennung im Flüssigkeitsabscheider selbst erwärmt werden.
Der Bereich der Wasserablaufleitung 52 außerhalb des Gehäuses 60 des Flüssigkeitsabscheiders 42, 44, 46 ist vorzugsweise ebenfalls beheizbar, zum Beispiel durch ein elektrisches Heizelement 72.
Das beheizbare Strukturelement 70 kann beispielsweise durch Rippenstrukturen an der Innenwand des Sammelbehälters 48 in seinem Bodenbereich gebildet sein. Werden die Rippenstrukturen beheizt, so bilden sich sehr schnell Kanäle in den Vertiefungen zwischen den Rippen der Rippenstrukturen.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des wenigstens einen Strukturelements 70 wird nachfolgend Bezug nehmend auf Fig. 2 genauer beschrieben.
In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist das beheizbare Strukturelement 70 im Sammelbehälter 48 aus einem Rohrelement gebildet, das mit dem Wasserauslass 66 und der Wasserablaufleitung 52 verbunden ist und in das Innere des Sammelbehälters 48 ragt. Die Höhe des Rohrelements 70 in den Sammelbehälter 48 ist dabei so bemessen, dass sie größer als die Höhe eines zu erwartenden Eisblocks 68 ist. Beispielsweise entspricht sie dem Wasserpegel, bei welchem der Sensor 50 im Betrieb des Brennstoffzellensystems das Ablassventil 54 betätigt, um das flüssige Wasser aus dem Sammelbehälter 48 ablaufen zu lassen.
Das Rohrelement 70 ist in Fig. 2 mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt dargestellt. Es sind aber ebenso andere Querschnittsformen für das Rohrelement denkbar, zum Beispiel elliptisch, quadratisch, rechteckig, polygonal. Wie weiter in Fig. 2 erkennbar, ist das Rohrelement 70 mit einer Vielzahl von Durchbrechungen 76 in Form von Bohrungen, Langlöchern, Schlitzen oder dergleichen versehen. Unterhalb des Sammelbehälters 48 ist ein Heizkörper 78 angeordnet. Dieser Heizkörper 78 steht mit dem Rohrelement 70 im Sammelbehälter 48 in sehr gutem Wärmekontakt, er ist zum Beispiel einstückig mit diesem aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit ausgebildet. Wie in Fig. 2 dargestellt, sind in dem Heizkörper 78 Kanäle 80 für ein Heizmedium ausgebildet. Dieses Heizmedium ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das Kühlmedium des Brennstoffzellensystems, welches sich beim Betrieb der Brennstoffzelle 10 erwärmt. Wie oben erläutert, kann der Heizkörper 78 aber auch auf andere Weise geheizt werden, um das Rohrelement 70 zu erwärmen.
Hat sich in dem Sammelbehälter 48 nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems ein Eisblock 68 gebildet und soll das System aus diesem Zustand heraus wieder gestartet werden (Gefrierstart), so werden der Heizkörper 78 unterhalb des Sammelbehälters 48 und damit auch das Rohrelement 70 im Innenraum des Sammelbehälters 48 erwärmt (zum Beispiel mit Hilfe des Kühlmediums des Brennstoffzellensystems). Durch die Erwärmung des Rohrelements 70 schmilzt der Eisblock 68 zunächst in unmittelbarer Nähe des Rohrelements 70 sowie im Innern des Rohrelements 70. So bilden sich zunächst mehrere Kanäle in dem Eisblock 68, durch welche flüssiges Wasser, das im Sammelbehälter 48 oberhalb des Eisblocks 68 neu gesammelt wird, zum Wasserauslass 66 des Sammelbehälters 48 und weiter durch die Wasserablaufleitung 52 abfließen können. Im Laufe der Zeit wird natürlich auch hier der gesamte Eisblock 68 geschmolzen.
Da der Eisblock 68 sehr gezielt nur in einem kleinen Teilvolumen direkt innerhalb des Rohrelements 70 und um dieses herum geschmolzen wird, genügt ein relativ geringer Energieaufwand. Außerdem kann der kleine Volumenanteil des Eisblockes 68 sehr schnell geschmolzen werden, sodass die Funktionsfähigkeit des Flüssigkeitsabscheiders 42, 44, 46 bei einem Gefrierstart sehr rasch hergestellt werden kann.
Während in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 nur ein Rohrelement 70 in dem Sammelbehälter vorhanden ist, ist es auch möglich, mehrere Rohrelemente oder ein verzweigtes Rohrelementsystem vorzusehen oder ein oder mehrere Rohrelemente mit den oben erwähnten Rippenstrukturen zu kombinieren.
In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist die Wasserablaufleitung 52 im Anschluss an den Wasserauslass 66 des Sammelbehälters 48, d.h. stromauf des Ablassventils 54, mit einem elektrischen Heizelement 74 ausgebildet, welches die Wasserablaufleitung 52 bei einem Gefrierstart und auch beim Betrieb bei niedrigen Umgebungstemperaturen erwärmt und so Eis in der Leitung auftaut bzw. eine Eisbildung verhindert. In einer Variante dieses Ausführungsbeispiels kann die Wasserablaufleitung 52 im Gehäuse 60 des Flüssigkeitsabscheiders 42, 44, 46 aber wie das Strukturelement 70 bzw. dessen Heizkörper 78 ebenfalls durch das Kühlmedium des Brennstoffzellensystems beheizt werden.
Die Beheizung des Strukturelements 70, der Wasserablaufleitung 52 und des Ablassventils 54 wird vorzugsweise nur bei niedrigen Umgebungstemperaturen durchgeführt, bei denen davon ausgegangen werden muss, dass eine Eisbildung in diesen Komponenten stattgefunden hat. Zu diesem Zweck sind ein oder mehrere Temperatursensoren (nicht dargestellt) vorgesehen.

Claims

Patentansprüche
1. Flüssigkeitsabscheider (42, 44, 46), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einem Sammelbehälter (48), der einen Gaseinlass (62), einen Gasauslass (64) und einen Wasserauslass (66) aufweist; einer Wasserablaufleitung (52), die mit dem Wasserauslass (66) verbunden ist; und einem Ablassventil (54), das in der Wasserablaufleitung (52) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Sammelbehälter (48) wenigstens ein beheizbares Strukturelement (70) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass es beim Beheizen in einem Eisblock (68) in dem Sammelbehälter (48) wenigstens einen mit dem Wasserauslass (66) verbundenen Kanal erzeugt.
2. Flüssigkeitsabscheider nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine beheizbare Strukturelement (70) aus einem Material gebildet ist, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als ein Material des Sammelbehälters (48).
3. Flüssigkeitsabscheider nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine beheizbare Strukturelement (70) unter Verwendung der Wärmeenergie einer Brennstoffzelle (10), eines Startheizers oder eines Betriebsmediums des Brennstoffzellensystems erwärmbar ist.
4. Flüssigkeitsabscheider nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine beheizbare Strukturelement (70) unter Verwendung eines Kühlmediums des Brennstoffzellensystems erwärmbar ist.
5. Flüssigkeitsabscheider nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine beheizbare Strukturelement (70) unter Verwendung eines elektrischen Heizelements erwärmbar ist.
6. Flüssigkeitsabscheider nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine beheizbare Strukturelement (70) unter Verwendung einer Wasserstoffverbrennung im Flüssigkeitsabscheider (42, 44, 46) selbst erwärmbar ist.
7. Flüssigkeitsabscheider nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine beheizbare Strukturelement (70) ein in den Sammelbehälter (48) ragendes Rippenelement aufweist.
8. Flüssigkeitsabscheider nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine beheizbare Strukturelement (70) ein mit dem Wasserauslass (66) verbundenes Rohrelement mit Durchbrechungen in der Rohrwand aufweist.
9. Flüssigkeitsabscheider nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablassventil (54) ein beheizbares Ablassventil ist.
10. Flüssigkeitsabscheider nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserablaufleitung (52) zumindest teilweise beheizbar ist.
11. Brennstoffzellensystem, mit einer Brennstoffzelle (10) mit einem Anodenbereich (12) und einem Kathodenbereich (14); einer Kathodengaszufuhrleitung (20); einer Kathodenabgasabfuhrleitung (22); einer Anodengaszufuhrleitung (26); einer Anodenabgasabfuhrleitung (30); und wenigstens einem Flüssigkeitsabscheider (42, 44, 46), dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Flüssigkeitsabscheider (42, 44, 46) nach einem der vorherigen
Ansprüche ausgebildet ist.
12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Kathodengaszufuhrleitung (20) ein Flüssigkeitsabscheider (42) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 angeordnet ist.
13. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anodengaszufuhrleitung (26) ein Flüssigkeitsabscheider (44) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 angeordnet ist.
14. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anodenabgasabfuhrleitung (30) ein Flüssigkeitsabscheider (46) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 angeordnet ist.
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